Một điện cực siêu nhỏ được đưa vào mô não có thể phân lập điện thế hoạt động của một tế bào thần kinh riêng lẻ. Kỹ thuật ghi điện thế đơn vị này cung cấp phép đo trực tiếp nhất về đầu ra của tế bào và đã là nền tảng của khoa học thần kinh hệ thống.

Bằng cách đối chiếu hoạt động của tế bào thần kinh với các kích thích giác quan, các sự kiện hành vi hoặc hoạt động của các tế bào khác, các nhà nghiên cứu suy ra thông tin mà tế bào thần kinh đó mã hóa. Những khám phá kinh điển—tính chọn lọc hướng trong vỏ não thị giác, tế bào định vị trong hồi hải mã, tế bào thần kinh phản chiếu trong vỏ não tiền vận động—đều xuất phát từ các nghiên cứu trên từng tế bào thần kinh riêng lẻ. Phương pháp này có thể được sử dụng trên động vật được gây mê hoặc tỉnh táo, đang thực hiện hành vi và, trong những trường hợp đặc biệt, trên bệnh nhân phẫu thuật.

Các biến thể hiện đại bao gồm mảng điện cực đa điểm lấy mẫu hàng chục hoặc hàng trăm đơn vị cùng lúc và ghi điện thế cận tế bào cho phép dán nhãn tế bào được ghi lại. Hạn chế bao gồm khó khăn trong việc xác định loại tế bào chỉ dựa trên dạng sóng ngoại bào và việc lấy mẫu thưa thớt ở bất kỳ vùng nào. Mặc dù các phương pháp quang học đã phát triển, ghi điện thế đơn vị vẫn không có đối thủ về độ chính xác thời gian và phân tích thời điểm xung điện.

• Ghi lại điện thế hoạt động từ các tế bào thần kinh riêng lẻ.
• Liên kết hoạt động tế bào với các tác nhân kích thích hoặc hành vi.
• Nền tảng của nhiều khám phá ở cấp độ hệ thống
• Hiện nay, phương pháp này thường được kết hợp với các mảng điện cực đa điểm.