Điện thế hoạt động
Phương pháp thực nghiệm

Bài chi tiết: Điện sinh lý học
Quá trình nghiên cứu điện thế hoạt động cần phải có những phương pháp thực nghiệm với tiến bộ cao. Công trình nghiên cứu khởi xướng từ trước năm 1955 đã xoáy sâu vào ba mục đích chính: tiến hành phân lập các tín hiệu đến từ nơron đơn hay sợi trục đơn, phát triển các phương tiện điện tử nhanh và nhạy, với các điện cực rất nhỏ đủ để ghi lại điện thế bên trong tế bào.
Vấn đề đầu tiên đã được giải quyết khi nghiên cứu trên các sợi trục khổng lồ của chi mực ống Loligo. Những sợi trục này có đường kính rất lớn (xấp xỉ 1 mm, hay nói cách khác là gấp 100 lần kích thước một nơron điển hình) khiến cho chúng có thể nhìn thấy được bằng mắt thường, và như vậy dễ dàng trong việc trích xuất và thao tác trên mô thần kinh. Tuy nhiên, sợi trục chi Loligo không thể đại diện cho tất cả các tế bào kích thích, và có nhiều hệ thống khác vận hành cơ chế điện thế hoạt động cũng đã được nghiên cứu và làm rõ.
Vấn đề thứ hai là tập trung vào sự phát triển chủ yếu của kẹp điện thế (voltage clamp), công cụ này cho phép các nhà thí nghiệm thực hiện nghiên cứu hiện tượng điện thế hoạt động gây ra bởi dòng chảy hạt mang điện trong điều kiện nhân tạo, và đã được loại bỏ đáng kể các tín hiệu nhiễu, dòng ion cũng chính là dòng điện IC  quan hệ mật thiết với điện dung màng tế bào C. Bởi vì cường độ dòng ion bằng C nhân với đại lượng đặc trưng cho sự thay đổi điện thế màng Vm, dung dịch điện ly cần phải thiết kế sao cho mạch điện có giá trị Vm  cố định (tốc độ thay đổi bằng không) bất luận rằng là có dòng chảy ion xuyên màng. Vì lẽ đó, dòng chảy ion cần thiết để duy trì giá trị điện thế màng Vm  ở một giá trị ổn định phản ánh trực tiếp dòng chảy ion xuyên màng. Các kỹ thuật ngành điện tử tiên tiến khác bao gồm có lồng Faraday (thiết bị chắn Faraday) và những phương tiện điện tử khác với trở kháng đầu vào cao, như thế giúp cho các phương pháp đo lường không ảnh hưởng đến giá trị điện thế của sinh vật và ghi lại một cách chính xác nhất.
Vấn đề thứ ba đó chính là các điện cực gắn lên trên màng sợi trục ghi lại giá trị điện thế màng phải có kích thước đủ nhỏ để không làm nhiễu đến giá trị (và cả không làm màng tế bào bị tổn thương), khó khăn này đã được tháo gỡ vào năm 1949 khi phát minh ra kỹ thuật vi điện cực nội bào (glass micropipette electrode) với ống mao quản làm bằng thủy tinh, sau đó đã được thông qua và ứng dụng rộng rãi bởi nhiều nhà khoa học.. Phương pháp này đã được phát triển tinh vi đến mức có thể sản xuất ra điện cực với đỉnh của nó nhỏ cỡ khoảng 100 Å (10 nm), cũng như là có trở kháng đầu vào cao. Điện thế hoạt động cũng có thể ghi được với điện cực nhỏ bằng kim loại đặt nhẹ vào tế bào nơron, với bộ vi xử lý (neurochip) có chứa EOSFET có thể tương tác và phát hiện các hoạt động thần kinh, hay là trên phương diện quang học dùng phân tử nhuộm merocyanine 540 nhạy cảm với sự thay đổi về nồng độ Ca2+ hay điện thế.
Trong khi kỹ thuật vi điện cực nội bào đã giúp đo lường được tổng lượng ion vượt màng thông qua nhiều kênh ion, thì việc nghiên cứu nền tảng điện hóa của duy chỉ một kênh ion đã trở thành thực thi vào năm 1970 với sự phát triển của kỹ thuật kẹp dính mảnh màng (patch clamp), đảm nhiệm bởi Erwin Neher và Bert Sakmann. Vào năm 1991, họ đã nhận được giải Nobel Sinh lý học và Y học nhờ thành tựu này. Thông qua kỹ thuật kẹp dính mảnh màng này, xác nhận rằng các kênh ion có những trạng thái thấm khác nhau, chẳng hạn như là mở, đóng và bất hoạt.