L'imagerie du potentiel membranaire utilise des colorants fluorescents sensibles à la tension ou des indicateurs de tension génétiquement codés (GEVI) pour suivre les variations dynamiques du potentiel membranaire cellulaire. La dépolarisation ou la repolarisation induit des changements rapides de l'intensité ou du spectre de fluorescence de la sonde, permettant la détection optique de signaux électriques à l'échelle de la milliseconde. Cette technique offre une méthode non invasive pour observer l'activité électrique de cellules individuelles et de réseaux neuronaux.

Ces expériences sont généralement réalisées à l'aide de plateformes d'imagerie à haute vitesse telles que la fluorescence à champ large, l'imagerie biphotonique, la microscopie à feuillet de lumière ou d'autres techniques similaires. Elles exigent une précision spatiale subcellulaire tout en détectant des variations de fluorescence de seulement quelques pourcents (ΔF/F), correspondant à des événements rapides de dépolarisation et de repolarisation membranaire de l'ordre de la milliseconde. Par conséquent, les systèmes d'imagerie doivent allier une résolution temporelle ultra-élevée, un excellent rapport signal/bruit et une photostabilité permettant de minimiser la phototoxicité lors d'enregistrements prolongés de cellules excitables et de réseaux neuronaux.