一种系统和方法从响应电刺激信号的组织中检测神经动作电位信号。用于一组组织响应记录的稀疏信号空间模型具有可分离成包括对应于响应电刺激信号的组织的神经动作电位(NAP)分量流形的多个不相交的分量流形的信号空间。响应测量模块被配置为：i.映射组织响应测量信号到稀疏信号模型空间来获得相应的稀疏信号表示，ii.投射稀疏信号表示到NAP分量流形上来获得稀疏NAP分量表示，iii.当稀疏NAP分量表示大于最小阈值时，报告并恢复在组织响应测量信号中所测得的NAP信号。