將微電極插入腦組織中，可以分離出單一神經元的動作電位。這種單細胞記錄技術能夠最直接地測量細胞的輸出，是系統神經科學的基礎。

透過將神經元的放電與感覺刺激、行為事件或其他細胞的活動關聯起來，研究人員可以推斷出該神經元編碼的訊息。視覺皮質的方向選擇性、海馬體的位置細胞、前運動皮質的鏡像神經元等經典發現都源自於單細胞研究。此方法可用於麻醉或清醒狀態下的行為動物，在特殊情況下也可用於人類手術患者。

現代的記錄方法包括可同時對數十或數百個神經元進行採樣的多電極陣列，以及允許對記錄細胞進行標記的胞旁記錄。其限制包括難以僅從胞外波形識別細胞類型，以及對任何給定區域的採樣稀疏。儘管光學方法有所發展，但單神經元記錄在時間精度和尖峰時序分析方面仍然無可匹敵。

• 記錄單一神經元的動作電位
• 將細胞活動與刺激或行為連結起來
• 許多系統級發現的基礎
• 現在通常與多電極陣列結合使用