Ehhez két alapvető eszköze van: a jelölés és a képalkotás.

Az agyra ránézni alapesetben olyan, mint ha egy lombja hullott őszi erdőre néznénk 10 kilométer távolságról. Egy szürkésbarna elmosódott csíkot látunk. Vegyünk elő egy távcsövet! Megint szürkésbarna elmosódott csíkot látunk, igaz kicsit vastagabbat. Elsőre remek ötletnek tűnhet, hogy fessük be a fákat mondjuk fluoreszkáló narancssárgára, mert az jól látszik. Nosza, fessük be. Az eredmény? Egy narancssárga elmosódott csíkot látunk. Ha viszont mondjuk minden századik fát festjük csak be és távcsővel nézzük akkor 10 kilométerről is remekül látszik majd, hogy a fáknak van törzse, ágai és ágacskái. Sőt, hogy a tölgyfa máshogy ágazik el, mint a bükk vagy a hárs. Egy kis rutinnal a fa faja is megmondható messziről. De ahelyett, hogy magunk festegetnénk azt is megvárhatjuk míg elkezdenek kilombosodni a fák. Egyik korábban kezdi, mint a másik így, ha például naponta fényképezünk még 10 kilométerről is viszonylag jó képünk lesz arról milyen fából mennyi van és milyen alakúak. Sőt az elmosódott csíkban még azt is fogjuk látni, hogy a fáknak van törzse és lombkoronája.

No pontosan ez a sejt és szövetfestési eljárások lényege is. A kutatók olyan anyagokat kerestek, amik csak bizonyos sejteket vagy a sejteknek csak egy bizonyos részét jelölik meg azáltal, hogy a sejtekben található anyagokhoz hozzákötődnek. A Nissl festés az idegsejtek sejttestét és vastagabb dendritnyúlványait jeleníti meg. A Golgi féle ezüstcsapadék festés teljesen véletlenszerűen megjeleníti az idegsejtek kis százalékának (<0.1%) teljes nyúlványrendszerét. Egy DAPI nevezetű fluoreszkáló festék pedig a kromoszómákhoz kötődik és mutatja meg a sejtek magját. Ezek a festések hasznosak, de kicsit a szerencsén múlik, hogy találunk-e olyan anyagot, ami az általunk vizsgált sejtet, vagy sejtrészt jelenít meg.

Ennek a szerencsén alapuló próbálkozásnak az immunfestés vetett véget. A dolog lényege az, hogy egy élőlény szervezetébe egy számára idegen anyag kerül akkor védekezésképpen az immunrendszere az anyag ellen antitesteket termel. Ez történik, ha megtámad minket egy vírus vagy egy baktérium, az immunrendszer idegenként ismeri fel a kórokozó felszínén található molekulákat és ellenanyagot termel ellenük, melyek semlegesítik a kórokozót. Ha tehát például az emberi agyban szeretnénk megtudni mely sejtekben és azokon hol található egy fehérje, akkor az elkülönített emberi fehérjét valamilyen állat, leggyakrabban egér vagy nyúl szervezetébe kell bejuttatni, majd a keletkezett ellenanyagokat kivonni. Ha az ellenanyagunkat valamilyen festékkel megjelöljük, akkor azt magával viszi és amikor rátapad a célfehérjére egyúttal festékkel meg is jelöli azt a helyet. Ilyen módon, ha ismerünk bizonyos sejtekben megjelenő fehérjéket, azonosíthatunk sejttípusokat melyek azokat tartalmazzák. Vagy megnézhetjük azt, hogy a sejt életében és jelintegrációjában fontos molekulák a sejten vagy a sejtben hol helyezkednek el. Ha két (vagy több) különböző anyagot két (vagy több) eltérő színű festékhez kötött antitesttel ismerünk fel, akkor kétféle (vagy több) molekula eloszlását tudjuk összehasonlítani. így például sejttípusok közötti összeköttetések mennyiségét és térbeli eloszlását becsülhetjük, vagy kimutathatjuk egy idegpálya merre halad és milyen elemeken végződik.

Egy másik módszer a célzott festésre a molekuláris biológusoktól jön. Az in situ hibridizáció segítségével feltérképezhetjük azt, hogy egyes gének mely agyterületeken vagy idegsejtekben vannak bekapcsolva. Amikor egy gén átíródik megjelenik mRNSe a citoplazmában. Készíthetünk egy komplementer RNS darabot (probe), mely ezt felismeri és ha ehhez festéket vagy radiokatív izotópokat kötünk

A transzgénikus technikákat is fel ehet használni festésre. Ha egy meghatározott sejtcsoportot ráveszünk arra, hogy kifejezzen egy fluoreszcens fehérjét, például a GFP-t, green fluorescent proteint, azaz zöld fluoreszkáló fehérjét, akkor a sejtek teljes nyúlványrendszere láthatóvá válik fluoreszcens mikroszkópban (a részletekről majd az optogenetikati módszerek leírásánál lesz szó). A brainbow (agyszivárvány) pedig egy olyan módszer ahogy az egyes sejtek véletlen arányban fejeznek ki piros, zöld és kék fehérjéket, ezáltal a szövetben megjelenített több száz sejt mindegyike a szivárvány más színében tündököl és nyúlványrendszere elkülöníthető.