脳組織に挿入された微小電極を用いることで、個々のニューロンの活動電位を分離することができる。この単一ニューロン記録技術は、細胞の出力を最も直接的に測定する方法であり、システム神経科学の基礎となっている。

研究者は、ニューロンの発火と感覚刺激、行動事象、あるいは他の細胞の活動を関連付けることで、そのニューロンが符号化する情報を推測する。視覚野の方向選択性、海馬の場所細胞、運動前野のミラーニューロンといった古典的な発見は、単一ニューロン研究から生まれた。この方法は、麻酔下または覚醒状態の行動中の動物、そして特殊な状況下ではヒトの外科患者にも適用できる。

現代の手法としては、数十個または数百個のユニットを同時にサンプリングするマルチ電極アレイや、記録対象の細胞を標識できる細胞近傍記録法などがある。限界としては、細胞外波形のみから細胞の種類を特定することが難しいことや、特定の領域のサンプリングが疎であることなどが挙げられる。光学的手法の台頭にもかかわらず、単一ユニット記録は、時間精度とスパイクタイミング解析において依然として他に類を見ない手法である。

• 個々のニューロンからの活動電位を記録する
• 細胞活動を刺激や行動と関連付ける
• 多くのシステムレベルの発見の基盤
• 現在では、多電極アレイと組み合わせて使用​​されることが多い。