在我们的神经系统中，神经元十分丰富，这也导致了钙离子的功能多样。在突触的前膜，钙内流能够刺激并激发神经小泡向胞外释放，这种神经小泡内部贮存着神经递质；在突触的后膜，树突棘内部的钙水平会瞬间升高，对突触的可塑性产生介导；在细胞核内部，钙信号可以调控基因的转录，这就是钙成像技术中神经元钙离子的信号机制。

钙成像技术的应用主要体现在两方面：

1. 离体神经元突触前和突触后的功能成像

通过双罐子显微镜来观察钙成像，可以看到海马脑区的钙信号将被局限在树突棘的部分。利用共聚焦技术，能够展示出钙在小鼠前脑平行排列的浦肯野细胞突触中的成像。经过研究者的观察研究表明，局部的树突状钙信号是用来诱导长时程突触抑制的必要条件，是前脑介导学习的细胞机制。

突触前发生的钙活动也能够通过钙成像技术展示出来，为了进一步研究前脑皮层的神经纤维传递，可以注射钙指示剂和形态学标记物到新生小鼠的下橄榄体中，染料可经过几天的扩散经过神经纤维到达前脑皮层，这种方式使刺激所诱发的钙信号被记录在神经纤维突触前成为可能。除此之外，在双光子显微镜下，观察并记录全细胞在突触前末梢注射钙离子信号，能够发现，它们可以在轴突扣节而不是轴突的其他部分中记录动作电位所诱导的钙信号。

2. 活动动物中的钙成像

使用头部便携式的双光子显微镜能够观察到动物在清醒状态下某个行为的大脑环路中的钙成像状况，通过观察也可以发现海马脑区神经元在动物做复杂行为过程中的功能。小鼠被放置在球形的跑步机上后，可以利用钙成像技术标记椎体神经元，并以此来研究CA1脑区神经元的空间分布情况。