一体式微型化双光子显微镜 SUPERNOVA-100 以媲美传统台式双光子显微镜的成像分辨率，实现对自由运动动物的大脑神经元和神经突触清晰稳定的成像。为神经科学家提供了一款革命性的新工具，开拓了神经科学研究的新范式。目前已被应用于学习记忆、认知、注意力、感知运动等各类神经环路和神经疾病的研究中。

社会竞争在决定个人的社会地位方面起着关键作用。动物行为学实验发现获胜行为与血管活性肠多肽（VIP）顺序启动的锥体（PYR）神经元和细小白蛋白（PV）中间神经元的钙活动相关。在清醒小鼠中使用微型双光子显微镜和光学记录，发现 VIP 刺激直接导致 PYR 和 PV 神经元快速抑制后激活的两阶段活动模式，这种去抑制 VIP-PV-PPYR 基序形成了 dmPFC 微环路的核心，以控制社会竞争行为。

研究自由行为动物的瘙痒感知需要极小的感知刺激输入。微型双光子显微镜使神经钙成像能够用于瘙痒研究。通过操纵脊髓中的 GRPR 神经元诱发瘙痒，微型化双光子成像技术用于记录小鼠抓挠时 S1Tr 神经元的活动。

直接测量ACh释放的能力是理解其生理功能的重要步骤。微型化双光子成像被利用于检测 ACh 传感器，以灵敏指示在执行各种行为的小鼠多个大脑区域中的单次 ACh 动态。

对自由行为的小鼠脊髓进行长期成像被证实是可行的，利用微型双光子显微镜可对脊髓参与的自由行为小鼠感觉知觉及相关疾病作用机制进行研究。

社会行为研究需要动物处于行为自由的状态。使用微型双光子显微镜（mTPM）观察自由行为小鼠 PrL 与社会行为相关的神经元活动，发现 GABA 能神经元的 Ca²⁺ 瞬变与社会行为的相关性比Glu能神经元的更高。

多模态地利用快速高分辨率的微型化双光子显微镜，结合脑电图（EEG）记录和行为评估，用于研究自由活动小鼠注射红藻氨酸诱发癫痫发作的开始和传播。

水凝胶广泛应用于神经组织修复，具有良好的组织相容性。微型化双光子显微镜可通过柔性多峰透明电生理水凝胶（MTEHy）电极成像，以记录自由行为动物的神经元 Ca²⁺ 活性。