Nervenzellen haben eine negative elektrische Ladung über ihre Plasmamembranen, das sogenannte Ruhepotential. Die Plasmamembran ist eine dünne Grenzschicht, die die Nervenzelle umschließt, und das Ruhepotential besteht, weil das Innere der Zelle gegenüber dem Äußeren negativ geladen ist. Wenn ein Neurotransmitter, eine Chemikalie, die Signale zwischen Nervenzellen überträgt, an der Membran ankommt oder die Membran mechanisch gestört wird, ändert sich die Ladung über die Membran und wird positiver. Diese Veränderung wird als Depolarisation bezeichnet und wenn sie ein bestimmtes Niveau erreicht, entsteht ein sogenanntes Aktionspotential, bei dem ein elektrischer Impuls entlang des Nervs übertragen wird. Nach einem Aktionspotential wird die Membran repolarisiert, wird wieder negativ geladen und stellt das Ruhepotential wieder her.
Das Ruhepotential der Nervenzellmembranen wird durch ungleiche Konzentrationen von positiv geladenen Natriumionen und Kaliumionen auf jeder Seite der Membran erzeugt. Es gibt mehr Kalium innerhalb der Zelle und mehr Natrium außerhalb der Zelle. Grund dafür ist eine in der Zellmembran befindliche Natrium-Kalium-Pumpe, die aktiv Natrium aus der Zelle und Kalium in die Zelle befördert.
Es gibt Kanäle in der Membran, durch die Natrium- und Kaliumionen wandern können, aber wenn die Membran ruht, sind die Natriumkanäle geschlossen und nur einige der Kaliumkanäle sind geöffnet. Natriumionen werden gezwungen, außerhalb der Zelle zu bleiben, während einige Kaliumionen aus der Zelle entweichen, um sie durch die offenen Kanäle zu verbinden. Das Nettoergebnis ist, dass mehr positiv geladene Ionen außerhalb der Zelle landen als innerhalb, und dies erzeugt die negative Ladung über die Membran, das sogenannte Ruhepotential, das notwendig ist, wenn die Depolarisation der Neuronen stattfinden soll.
Damit ein Aktionspotential zustande kommt, muss die Nervenzelle zunächst durch Dehnung oder Eintreffen eines Neurotransmitters stimuliert werden. Ein depolarisierender Effekt tritt dann auf, weil sich Natriumkanäle öffnen und Natrium in die Zelle eindringen lassen, wodurch die Anzahl der positiv geladenen Ionen im Inneren erhöht und das elektrische Potenzial über die Membran positiver wird. Sobald die Depolarisation einen Schwellenwert erreicht, öffnen sich viele Natriumkanäle gleichzeitig und es tritt ein Aktionspotential auf, bei dem plötzlich eine vollständige Membrandepolarisation stattfindet, wobei die Depolarisation ebenfalls in einer Welle entlang der Nervenzelle verläuft.
Nach der Depolarisation erfolgt die Repolarisation nach einem kurzen Intervall, das als Refraktärzeit bezeichnet wird. Während dieser Zeit hat jeder weitere Reiz, der auf die Zelle ausgeübt wird, keine Wirkung. Die Refraktärzeit dauert nur den Bruchteil einer Sekunde, sodass ein Nerv innerhalb einer Sekunde viele Male feuern kann. Bei der Repolarisation bewegen sich zuerst Kaliumionen aus der Zelle, bevor Natrium aktiv herausgepumpt wird. Hat das Membranpotential die notwendige negative Ladung erreicht, ist das Ruhepotential erreicht und der Nerv ist wieder feuerbereit.