Membranpotensialavbildning bruker fluorescerende spenningsfølsomme fargestoffer eller genetisk kodede spenningsindikatorer (GEVI-er) for å overvåke dynamiske endringer i cellemembranpotensial. Depolarisering eller repolarisering induserer raske endringer i probens fluorescensintensitet eller -spektrum, noe som muliggjør optisk deteksjon av elektriske signaler på millisekundskala. Denne teknikken gir en ikke-invasiv metode for å observere elektrisk aktivitet i enkeltceller og nevrale nettverk.

Slike eksperimenter utføres vanligvis med vidfeltsfluorescens, to-foton, lysark eller andre høyhastighetsavbildningsplattformer. De krever subcellulær romlig presisjon mens de detekterer fluorescensendringer på bare noen få prosent (ΔF/F), som tilsvarer rask membrandepolarisering og repolarisasjonshendelser på millisekundtidsskalaen. Følgelig må avbildningssystemer kombinere ultrahøy tidsoppløsning, utmerket signal-til-støy-ytelse og fotostabilitet for å minimere fototoksisitet under langvarige opptak av eksiterbare celler og nevrale nettverk.