成像技术是推动生命科学进步的核心动力。上世纪以来，人类陆续发现了包括X射线、全息照相法、CT、电子显微镜、MRI磁共振成像、超高分辨率显微成像在内的多种成像技术。

　　而近年来，生命科学研究的发展趋势从分子与细胞的层级上升到离体组织与器官、历经在体麻醉动物细胞显微到现在的清醒动物的分子与细胞动态信号，不断对成像技术提出新的要求，即在清醒活体的状态下还要保证分子水平的分辨率。

　　　如今，双光子荧光显微镜是活体动物神经成像的经典方法。双光子成像本身具有高分辨率、高通量(高速)、非侵入、成像深度大等特点，与荧光蛋白以及荧光染料等标记物在细胞中的定位与表达技术相结合，能够在生命体和细胞仍具有活性的状态下对其功能进行动态观察，使得人们可以研究处于生理状态时的动物大脑内的神经元活动。

　　双光子成像技术面临的挑战

　尽管双光子成像有看得准、看得深、光损伤小等优点，但也存在看活体不准、扫描速度慢、体积庞大无法便携化等缺点。之前在神经科学领域，如果科学家想要对小动物在行为过程中的大脑活动进行成像研究，是采用了一种看起来非常好玩而又黑科技的方式。

　　将虚拟现实与双光子成像相结合，在小动物头部被固定的情况下，在其眼前制造影像，让动物认为自己处在“真实”的环境之中，通过动物四肢在类似跑步机或者鼠标滚球上的运动来模拟其真实活动，以求达到研究神经元在动物行为中所起到的作用。

　　　　但是，这种虚拟现实加头部固定成像的方法，已经遭到许多科学家的质疑。他们认为，头部被固定会使动物在实验期间受到物理约束和情绪的压力，因此无法证明虚拟现实下得到的结果等同于真实环境。更重要的是，许多社会行为，比如亲子护理，交配和战斗，是不能用头部固定的方式进行研究的。如何在动物自由活动的时候，直接对其神经元进行成像，是神经科学家还未能得到解决终极的诉求。

　　所以，开发一种微型荧光显微镜，让其直接固定在自由活动的动物身上成为了解决问题的关键。十多年来，人们经历了微型单光子宽场显微镜；重达25克、且成像速度慢的双光子显微镜等阶段，一直无法攻克微型双光子显微镜需要解决的诸多技术难题。

　　新一代微型化双光子荧光显微镜的性能

　　　　据悉，新一代微型化双光子荧光显微镜重量仅2.2克，横向分辨率可达到0.65微米，成像质量与商品化大型台式双光子荧光显微镜可相媲美。采用双轴对称高速微机电系统转镜扫描技术，成像帧频已达40HZ（256*256像素），同时具备多区域随机扫描和每秒1万线的线扫描能力。

　　此外，采用自主设计可传导920nm飞秒激光的光子晶体光纤，该系统首次实现了微型双光子显微镜对脑科学领域最广泛应用的指示神经元活动的荧光探针（如GCaMP6）的有效利用。同时采用柔性光纤束进行荧光信号的接收，解决了动物的活动和行为由于荧光传输光缆拖拽而受到干扰的难题。未来，与光遗传学技术的结合，有望在结构与功能成像的同时，精准地操控神经元和神经回路的活动。