雙光子顯微成像

雙光子顯微成像是一種能在活體腦組織深處拍出清晰、精細影像的方法，而且動物可以一直活著、甚至清醒著。它依靠的是螢光：先給組織標上一種特殊的染料或蛋白，光一照到它就會發光。通常，一份光（一個光子）就攜帶了足夠的能量，能讓染料發光。這裡的妙處恰好相反——顯微鏡改用更溫和、能量更低的紅外光，必須有兩個光子在同一瞬間一起抵達，能量加在一起，才足以讓染料哪怕發一次光。

正因為兩個光子同時撞上極為罕見，發光就只會出現在雷射被壓縮到最緊的那一個極小焦點上，而沿途其餘的地方都不會發光。（這種只在光被高度聚集、而非僅僅存在時才發生的特性，正是把這一效應稱為「非線性」的原因。）這種自我侷限的發光帶來兩大好處。第一，波長很長的紅外光穿過組織時，散射比普通光少得多，因此能深入到表面之下很遠——讓研究者看清地下幾百微米處的細胞，而那裡在老式顯微鏡下只是一團模糊。第二，由於樣品的其餘部分始終不被點亮，嬌嫩的活細胞所受的光損傷就小得多，可以被連續觀察好幾個小時。

這些優勢使雙光子顯微成像成為研究活體內大腦工作狀態的得力工具——科學家稱之為「在體」，意思是在完整的生物體內、而不是在培養皿裡觀察。一種常見用法，是透過追蹤鈣訊號來即時觀察單個神經元放電：每當一個細胞活躍起來，發光就會隨之閃亮一下。