将微电极插入脑组织中，可以分离出单个神经元的动作电位。这种单细胞记录技术能够最直接地测量细胞的输出，是系统神经科学的基础。

通过将神经元的放电与感觉刺激、行为事件或其他细胞的活动关联起来，研究人员可以推断出该神经元编码的信息。视觉皮层的方向选择性、海马体的位置细胞、前运动皮层的镜像神经元等经典发现都源于单细胞研究。该方法可用于麻醉或清醒状态下的行为动物，在特殊情况下也可用于人类手术患者。

现代的记录方法包括可同时对数十或数百个神经元进行采样的多电极阵列，以及允许对记录细胞进行标记的胞旁记录。其局限性包括难以仅从胞外波形识别细胞类型，以及对任何给定区域的采样稀疏。尽管光学方法有所发展，但单神经元记录在时间精度和尖峰时序分析方面仍然无可匹敌。

• 记录单个神经元的动作电位
• 将细胞活动与刺激或行为联系起来
• 许多系统级发现的基础
• 现在通常与多电极阵列结合使用