Membranpotentialbilleddannelse bruger fluorescerende spændingsfølsomme farvestoffer eller genetisk kodede spændingsindikatorer (GEVI'er) til at overvåge dynamiske ændringer i cellemembranpotentialet. Depolarisering eller repolarisering inducerer hurtige ændringer i probens fluorescensintensitet eller -spektrum, hvilket muliggør optisk detektion af elektriske signaler på millisekundskala. Denne teknik giver en ikke-invasiv metode til at observere elektrisk aktivitet i enkeltceller og neurale netværk.

Sådanne eksperimenter udføres typisk med vidvinkelfluorescens, to-foton, lysark eller andre højhastighedsbilleddannelsesplatforme. De kræver subcellulær rumlig præcision, mens de kun detekterer fluorescensændringer på få procent (ΔF/F), hvilket svarer til hurtig membrandepolarisering og repolarisationshændelser på millisekundtidsskalaen. Derfor skal billeddannelsessystemer kombinere ultrahøj tidsopløsning, fremragende signal-støj-ydeevne og fotostabilitet for at minimere fototoksicitet under langvarige optagelser af excitable celler og neurale netværk.