Le cellule nervose hanno una carica elettrica negativa attraverso le loro membrane plasmatiche, nota come potenziale di riposo. La membrana plasmatica è un sottile strato limite che racchiude la cellula nervosa e il potenziale di riposo esiste perché l’interno della cellula è caricato negativamente rispetto all’esterno. Quando un neurotrasmettitore, una sostanza chimica che trasporta segnali tra le cellule nervose, arriva alla membrana, o la membrana viene disturbata meccanicamente, la carica attraverso la membrana cambia, diventando più positiva. Questo cambiamento è noto come depolarizzazione e, se raggiunge un certo livello, si ottiene quello che viene chiamato potenziale d’azione, in cui un impulso elettrico viene trasmesso lungo il nervo. A seguito di un potenziale d’azione, la membrana viene ripolarizzata, caricandosi nuovamente negativamente e ripristinando il potenziale di riposo.
Il potenziale di riposo delle membrane delle cellule nervose è creato da concentrazioni disuguali di ioni sodio caricati positivamente e ioni potassio su ciascun lato della membrana. C’è più potassio all’interno della cellula e più sodio all’esterno della cellula. La ragione di ciò è una pompa sodio-potassio situata nella membrana cellulare, che sposta attivamente il sodio fuori dalla cellula e il potassio nella cellula.
Ci sono canali nella membrana attraverso i quali gli ioni sodio e potassio possono viaggiare, ma quando la membrana è a riposo i canali del sodio sono chiusi e solo alcuni dei canali del potassio sono aperti. Gli ioni sodio sono costretti a rimanere fuori dalla cellula, mentre alcuni ioni potassio fuoriescono dalla cellula per unirsi a loro attraverso i canali aperti. Il risultato finale è che gli ioni più carichi positivamente finiscono all’esterno della cellula che all’interno, e questo crea la carica negativa attraverso la membrana, nota come potenziale di riposo, che è necessaria se si deve verificare la depolarizzazione dei neuroni.
Affinché un potenziale d’azione abbia luogo, prima la cellula nervosa deve essere stimolata dall’allungamento o dall’arrivo di un neurotrasmettitore. Si verifica quindi un effetto depolarizzante perché i canali del sodio si aprono e consentono al sodio di entrare nella cellula, aumentando il numero di ioni caricati positivamente all’interno e rendendo più positivo il potenziale elettrico attraverso la membrana. Una volta che la depolarizzazione raggiunge un livello di soglia, molti canali del sodio si aprono contemporaneamente e si verifica un potenziale d’azione, in cui avviene improvvisamente la completa depolarizzazione della membrana, con la depolarizzazione che passa anche lungo la cellula nervosa in un’onda.
Dopo la depolarizzazione, la ripolarizzazione avviene dopo un breve intervallo noto come periodo refrattario. Durante quel periodo qualsiasi ulteriore stimolo applicato alla cellula non ha effetto. Il periodo refrattario dura solo una frazione di secondo, consentendo a un nervo di attivarsi molte volte nello spazio di un secondo. La ripolarizzazione coinvolge gli ioni potassio che escono prima dalla cellula, prima che il sodio venga attivamente pompato fuori. Una volta che il potenziale di membrana ha raggiunto la carica negativa necessaria, il potenziale di riposo è raggiunto e il nervo è pronto a sparare di nuovo.