Die Membranpotenzial-Bildgebung nutzt fluoreszierende, spannungssensitive Farbstoffe oder genetisch kodierte Spannungsindikatoren (GEVIs), um dynamische Veränderungen des Zellmembranpotenzials zu erfassen. Depolarisation oder Repolarisation induzieren schnelle Änderungen der Fluoreszenzintensität oder des Spektrums der Sonde und ermöglichen so die optische Detektion elektrischer Signale im Millisekundenbereich. Diese Technik bietet eine nichtinvasive Methode zur Beobachtung der elektrischen Aktivität einzelner Zellen und neuronaler Netzwerke.

Solche Experimente werden typischerweise mit Weitfeldfluoreszenz-, Zwei-Photonen-, Lichtblatt- oder anderen Hochgeschwindigkeits-Bildgebungsplattformen durchgeführt. Sie erfordern subzelluläre räumliche Präzision bei gleichzeitiger Detektion von Fluoreszenzänderungen von nur wenigen Prozent (ΔF/F), die schnellen Membrandepolarisations- und -repolarisationsereignissen im Millisekundenbereich entsprechen. Daher müssen Bildgebungssysteme eine ultrahohe zeitliche Auflösung, ein exzellentes Signal-Rausch-Verhältnis und Photostabilität vereinen, um die Phototoxizität bei Langzeitaufnahmen erregbarer Zellen und neuronaler Netzwerke zu minimieren.