使用基因编码的荧光探针可以在突触和细胞分辨率下监测体内神经元信号，这是揭示动物神经活动复杂机制的关键。使用双光子显微镜（2PM）可以以亚细胞分辨率对钙离子传感器和谷氨酸传感器成像，从而测量不透明大脑深处的活动；成像膜电压变化能直接反映神经元活动，但神经元活动的速度对于常规的2PM来说太快。目前电压成像主要通过宽场显微镜实现，但它的空间分辨率较差并且于浅层深度。因此要在不透明的大脑中以高空间分辨率对膜电压变化进行成像，需要明显提高2PM的成像速率。利用多光子显微镜，进行组织内深层结构的无损成像。高速高分辨率多光子显微镜应用
SternandJeanMarx在评论中说：祖家能够在更为精细的层次研究树突的功能，这在以前是完全不可能的。新的技术（如脑片的膜片钳和双光子显微使人们对树突的计算和神经信号处理中的作用有了更好的理解。他们解释了是树突模式和形状多样性，及其独特的电、及其独特的电化学特征使神经元完成了一系列的专门任务。双光子与共聚焦在发育生物学中的应用双光子∶每2.5分钟扫描一次，观察24小时，发育到桑椹胚和胚泡阶段共聚焦∶每15分钟扫描一次，观察8小时后细胞分裂停止，不能发育到桑椹胚和胚泡阶段共聚焦激发时的细胞存活率为多光子系统的10～20%。高速高分辨率多光子显微镜应用多光子显微镜的分辨率比传统的单光子共聚焦要低的多。
ＳｔｅｒｎａｎｄＪｅａｎＭａｒｘ在评论中说：祖家能够在更为精细的层次研究树突的功能，这在以前是完全不可能的。新的技术（如脑片的膜片钳和双光子显微使人们对树突的计算和神经信号处理中的作用有了更好的理解。他们解释了是树突模式和形状多样性，及其独特的电、及其独特的电化学特征使神经元完成了一系列的专门任务。双光子与共聚焦在发育生物学中的应用双光子∶每2.5分钟扫描一次，观察24小时，发育到桑椹胚和胚泡阶段共聚焦∶每15分钟扫描一次，观察8小时后细胞分裂停止，不能发育到桑椹胚和胚泡阶段共聚焦激发时的细胞存活率为多光子系统的10～20%。
对两个远距离（相距大于1-2mm）的成像部位，通常使用两条单独的路径进行成像；对于相邻区域，通常使用单个物镜的多光束进行成像。多光束扫描技术必须特别注意激发光束之间的串扰问题，这个问题可以通过事后光源分离方法或时空复用方法来解决。事后光源分离方法指的是用算法来分离光束消除串扰；时空复用方法指的是同时使用多个激发光束，每个光束的脉冲在时间上延迟，这样就可以暂时分离被不同光束激发的单个荧光信号。引入越多路光束就可以对越多的神经元进行成像，但是多路光束会导致荧光衰减时间的重叠增加，从而限制了区分信号源的能力；并且多路复用对电子设备的工作速率有很高的要求；大量的光束也需要更高的激光功率来维持近似单光束的信噪比，这会容易导致组织损伤。光子显微成像技术不是什么新技术，早在20多年前就有了，目前已经在生命科学和材料科学中广泛应用。
随着生物分子光学标记技术的不断进步，光学技术在揭示生命活动基本规律的研究中正发挥越来越重要的作用，也为医学诊疗提供了更多、更有效的手段。生物医学光学是近年来受到国际光学界和生物医学界关注的研究热点，在生物活检、光动力、细胞结构与功能检测、基因表达规律的在体研究等问题上取得了一系列研究成果，目前正在从宏观到微观上对大脑活动与功能进行多层面的研究。细胞重大生命活动（包括细胞增殖、分化、凋亡及信号转导）的发生和调节是通过生物大分子间（如蛋白质-蛋白质、蛋白质-核酸等）相互作用来实现的。蛋白质作为基因调控的产物，与细胞和机体生理过程代谢直接相关，深入研究基因表达及蛋白质-蛋白质相互作用不仅能揭示生命活动的基本规律，同时也能深入了解疾病发生的分子机理，进而为寻找更有效的药物分子、提高药物筛选和药物设计的效率提供新的方法和思路。精确观测生物分子相互作用，多光子显微镜推动生命科学研究发展。Ultima 2P Plus多光子显微镜实验操作
多光子显微镜能提供多种对比度机制。高速高分辨率多光子显微镜应用
对于双光子成像而言，离焦和近表面荧光激发是两个比较大的深度限制因素，而对于三光子（3P）成像这两个问题大大减小，但是三光子成像由于荧光团的吸收截面比2P要小得多，所以需要更高数量级的脉冲能量才能获得与2P激发的相同强度的荧光信号。功能性3P显微镜比结构性3P显微镜的要求更高，它需要更快速的扫描，以便及时采样神经元活动；需要更高的脉冲能量，以便在每个像素停留时间内收集足够的信号。复杂的行为通常涉及到大型的大脑神经网络，该网络既具有局部的连接又具有远程的连接。要想将神经元活动与行为联系起来，需要同时监控非常庞大且分布普遍的神经元的活动，大脑中的神经网络会在几十毫秒内处理传入的刺激，要想了解这种快速的神经元动力学，就需要MPM具备对神经元进行快速成像的能力。快速MPM方法可分为单束扫描技术和多束扫描技术。高速高分辨率多光子显微镜应用
