神经科学最基本的研究内容是寻求了解神经回路如何感受周围世界、如何实施行为。这需要能够对自由行为动物的神经活动进行记录和操控。
头部固定的成像方式不能满足研究的需要
头部固定的研究方式限制了行为学研究的方式和内容，使许多行为学研究不可能实现，例如空间导航、社会行为等。后来改进的采用虚拟现实和滚动球的方法来弥补头部固定缺憾的实验方式，对一些实验有所帮助，但是这些方法需要额外的训练，并且反映的毕竟不是完全的真实世界的行为。实际上，头部固定的方式仅仅解决了获得稳定成像的问题。
单光子成像分辨率低，不能对单个树突棘成像
活体组织对光的散射非常强烈，导致大部分信号丢失，灵敏度和分辨率下降。例如对于500 nm的光，在活体组织中有约90%被散射，每次仅可看到几十个细胞胞体闪烁的信号，看不清细胞轮廓。由于其散射强烈，随着样本深度加大，其信号越发微弱，可看到的细胞数量明显减少。基本上，单光子可看到的组织深度不超过100微米。
微型化双光子实现了对自由行为动物的亚细胞级、稳定成像
微型化双光子攻克了“佩戴式”显微镜成像的种种困难，在全球第一次实现了自由行为动物的清晰稳定成像，可在小鼠跑、跳、觅食、社交等种种正常活动中观察单个树突棘的结构和功能变化。
