光學(xué)成像技術(shù)與分子生物學(xué)技術(shù)的結(jié)合為研究上述科學(xué)問(wèn)題提供了條件與可能。因此，在現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)上，急需發(fā)展新的成像技術(shù)。在動(dòng)物體內(nèi)，如何實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)及蛋白質(zhì)之間相五作用的實(shí)時(shí)在體成像監(jiān)測(cè)是當(dāng)前迫切需要解決的重大科學(xué)技術(shù)問(wèn)題。這是也生物學(xué)、信息科學(xué)（光學(xué)）和基礎(chǔ)臨床醫(yī)學(xué)等學(xué)科共同感興趣的重大問(wèn)題。對(duì)這-一一科學(xué)問(wèn)題的研究不僅有助于闡明生命活動(dòng)的基本規(guī)律、認(rèn)識(shí)疾病的發(fā)展規(guī)律，而且對(duì)創(chuàng)新藥物研究、藥物療效評(píng)價(jià)以及發(fā)展疾病早期診斷技術(shù)等產(chǎn)生重大影響。多光子顯微鏡的發(fā)展歷史充滿了貢獻(xiàn)、開(kāi)發(fā)、進(jìn)步和數(shù)個(gè)世紀(jì)以來(lái)多個(gè)來(lái)源和地點(diǎn)的改進(jìn)。美國(guó)靈長(zhǎng)類多光子顯微鏡實(shí)驗(yàn)

對(duì)于雙光子（2P）成像而言，離焦和近表面熒光激發(fā)是兩個(gè)比較大的深度限制因素，而對(duì)于三光子（3P）成像這兩個(gè)問(wèn)題大大減小，但是三光子成像由于熒光團(tuán)的吸收截面比2P要小得多，所以需要更高數(shù)量級(jí)的脈沖能量才能獲得與2P激發(fā)的相同強(qiáng)度的熒光信號(hào)。功能性3P顯微鏡比結(jié)構(gòu)性3P顯微鏡的要求更高，它需要更快速的掃描，以便及時(shí)采樣神經(jīng)元活動(dòng)；需要更高的脈沖能量，以便在每個(gè)像素停留時(shí)間內(nèi)收集足夠的信號(hào)。復(fù)雜的行為通常涉及到大型的大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)既具有局部的連接又具有遠(yuǎn)程的連接。要想將神經(jīng)元活動(dòng)與行為聯(lián)系起來(lái)，需要同時(shí)監(jiān)控非常龐大且分布普遍的神經(jīng)元的活動(dòng)，大腦中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)在幾十毫秒內(nèi)處理傳入的刺激，要想了解這種快速的神經(jīng)元?jiǎng)恿W(xué)，就需要MPM具備對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行快速成像的能力?？焖費(fèi)PM方法可分為單束掃描技術(shù)和多束掃描技術(shù)。美國(guó)飛秒激光多光子顯微鏡技術(shù)多光子顯微鏡能提供多種對(duì)比度機(jī)制。

單光子激發(fā)熒光的過(guò)程，就是熒光分子吸收一個(gè)光子，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，躍遷以后，能量較大的激發(fā)態(tài)分子，通過(guò)內(nèi)轉(zhuǎn)換把部分能量轉(zhuǎn)移給周圍的分子，自己回到比較低電子激發(fā)態(tài)的比較低振動(dòng)能級(jí)。處于比較低電子激發(fā)態(tài)的比較低振動(dòng)能級(jí)的分子的平均壽命大約在10s左右。這時(shí)它不是通過(guò)內(nèi)轉(zhuǎn)換的方式來(lái)消耗能量，回到基態(tài)，而是通過(guò)發(fā)射出相應(yīng)的光量子來(lái)釋放能量，回到基態(tài)的各個(gè)不同的振動(dòng)能級(jí)時(shí)，就發(fā)射熒光。因?yàn)樵诎l(fā)射熒光以前已經(jīng)有一部分能量被消耗，所以發(fā)射的熒光的能量要比吸收的能量小，也就是熒光的特征波長(zhǎng)要比吸收的特征波長(zhǎng)來(lái)的長(zhǎng)。

對(duì)于雙光子(2P)成像，散焦和近表面熒光激發(fā)是兩個(gè)相對(duì)較大的深度限制因素，而對(duì)于三光子(3P)成像，這兩個(gè)問(wèn)題**減少。然而，由于熒光團(tuán)的吸收截面遠(yuǎn)小于2P，三光子成像需要更高的脈沖能量才能獲得與2P相同激發(fā)強(qiáng)度的熒光信號(hào)。功能性3P顯微鏡比結(jié)構(gòu)性3P顯微鏡要求更高，后者需要更快的掃描速度以便及時(shí)采樣神經(jīng)元活動(dòng)。為了在每個(gè)像素的停留時(shí)間內(nèi)收集足夠的信號(hào)，需要更高的脈沖能量。復(fù)雜的行為通常涉及大規(guī)模的大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)既有本地連接，也有遠(yuǎn)程連接。為了將神經(jīng)元的活動(dòng)與行為聯(lián)系起來(lái)，需要同時(shí)監(jiān)測(cè)***分布的超大型神經(jīng)元的活動(dòng)。大腦中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將在幾十毫秒內(nèi)處理輸入的刺激。為了理解這種快速神經(jīng)元?jiǎng)恿W(xué)，MPM需要快速成像神經(jīng)元的能力?？焖費(fèi)PM方法可分為單束掃描技術(shù)和多束掃描技術(shù)。使用雙光子顯微鏡觀察標(biāo)本的時(shí)候，只有在焦平面上才有光漂白和光毒性。

多光子成像系統(tǒng)提供的優(yōu)勢(shì)包括了真正的三維成像、對(duì)活組織內(nèi)部深處進(jìn)行成像的能力以及消除平面外熒光的能力。使用這種方法進(jìn)行成像，可以對(duì)斯托克斯位移非常短和/或效率非常低的熒光染料進(jìn)行成像，甚至可以對(duì)樣品或組織中固有的熒光分子進(jìn)行成像。多光子成像的缺點(diǎn)包括需要高峰值功率脈沖激光器，例如鎖模鈦：藍(lán)寶石激光器，并且直到現(xiàn)在，缺乏在整個(gè)發(fā)射范圍內(nèi)提供足夠吞吐量的高性能濾光片。整個(gè)激光調(diào)諧范圍內(nèi)的興趣和足夠的阻擋。利用多光子顯微鏡的多點(diǎn)光ji活能力，我們可以研究多個(gè)神經(jīng)細(xì)胞之間的連接和控制。美國(guó)靈長(zhǎng)類多光子顯微鏡實(shí)驗(yàn)

多光子顯微鏡的成熟的深部組織成像技術(shù)中。還有其他類型的圖像對(duì)比提供有關(guān)樣本的有價(jià)值信息。美國(guó)靈長(zhǎng)類多光子顯微鏡實(shí)驗(yàn)

根據(jù)阿貝成像原理，許多光學(xué)成像系統(tǒng)是一個(gè)低通濾波器，物平面包含從低頻到高頻的信息，透鏡口徑會(huì)限制高頻信息通過(guò)，只允許一定的低頻通過(guò)，因此丟失了高頻信息會(huì)使成像所得圖像的細(xì)節(jié)變模糊，降低分辨率。對(duì)于三維成像來(lái)說(shuō)，寬場(chǎng)照明時(shí)得到的信息不僅包含物鏡焦平面上樣品的部分信息，同時(shí)還包含焦平面外的樣品信息。由于受到焦平面外的信息干擾，常規(guī)熒光顯微鏡無(wú)法獲得層析圖像。三維結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡能夠提高分辨率、獲得層析圖像，是因?yàn)槔锰囟ńY(jié)構(gòu)的照明光能引入樣品的高頻信息，當(dāng)結(jié)構(gòu)光的空間頻率足夠高時(shí)，只有靠近焦面的部分才能被結(jié)構(gòu)光調(diào)制，超出這一區(qū)域，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蛘彰?，也就是只有焦面附近的有限區(qū)域具有相對(duì)完整的頻譜信息，離焦后，高頻信息迅速衰減，所以使用高頻結(jié)構(gòu)光照明可以區(qū)分焦面和離焦區(qū)域來(lái)獲得層析圖像。然后再通過(guò)軸向掃描可以獲取樣品不同深度的焦面圖像，重建樣品的三維結(jié)構(gòu)。美國(guó)靈長(zhǎng)類多光子顯微鏡實(shí)驗(yàn)