La tecnica di imaging del potenziale di membrana utilizza coloranti fluorescenti sensibili al voltaggio o indicatori di voltaggio geneticamente codificati (GEVI) per monitorare le variazioni dinamiche del potenziale di membrana cellulare. La depolarizzazione o la ripolarizzazione inducono rapidi cambiamenti nell'intensità o nello spettro di fluorescenza della sonda, consentendo il rilevamento ottico di segnali elettrici su scala di millisecondi. Questa tecnica fornisce un metodo non invasivo per osservare l'attività elettrica di singole cellule e reti neurali.

Tali esperimenti vengono tipicamente eseguiti con piattaforme di imaging ad alta velocità come la fluorescenza a campo ampio, la microscopia a due fotoni, la microscopia a foglio di luce o altre tecniche simili. Richiedono una precisione spaziale subcellulare, pur rilevando variazioni di fluorescenza di pochi punti percentuali (ΔF/F), corrispondenti a rapidi eventi di depolarizzazione e ripolarizzazione della membrana su scala temporale di millisecondi. Di conseguenza, i sistemi di imaging devono combinare un'altissima risoluzione temporale, un eccellente rapporto segnale/rumore e la fotostabilità per minimizzare la fototossicità durante registrazioni prolungate di cellule eccitabili e reti neurali.