Potensial membran adalah tegangan yang ada di membran sel. Ini juga dikenal sebagai potensial transmembran, dan sangat penting dalam sel saraf, atau neuron. Potensial membran disebabkan oleh perbedaan potensial listrik antara bagian dalam dan bagian luar sel. Ketika neuron dalam keadaan istirahat, artinya tidak menembakkan impuls saraf, bagian dalam membran selnya memiliki muatan negatif jika dibandingkan dengan bagian luar sel. Ini hasil dari konsentrasi ion bermuatan yang berbeda di dalam dan di luar membran.
Potensial membran muncul karena membran sel tidak memungkinkan ion natrium dan kalium untuk keluar masuk sel secara bebas dan mencapai keseimbangan. Sebaliknya, saluran khusus yang dikenal sebagai saluran ion memungkinkan ion kalium bergerak keluar melalui membran sel, mengurangi muatan positif di dalam sel. Pompa ion di membran menggunakan energi untuk memompa ion natrium keluar sel, sambil memompa kalium masuk. Untuk setiap pasangan ion kalium yang dipindahkan ke dalam sel oleh pengangkut ion ini, tiga ion natrium dipindahkan ke luar, menyebabkan hilangnya keseluruhan muatan positif dari sel. Molekul protein bermuatan negatif di dalam sel juga dicegah untuk pergi.
Bersama-sama, faktor-faktor ini menciptakan muatan negatif di dalam sel relatif terhadap luar, yang membentuk potensial membran. Potensialnya konstan saat istirahat, tetapi berubah dalam sel saraf ketika impuls ditransmisikan dari satu neuron ke neuron lainnya. Selama transmisi impuls saraf, apa yang dikenal sebagai potensial aksi terjadi, di mana membran sel mengalami proses yang disebut depolarisasi. Setelah potensial aksi, potensial membran kembali ke keadaan istirahat normal, yang biasanya diukur sebagai perbedaan -70 milivolt antara bagian dalam dan bagian luar membran.
Potensial aksi dimulai ketika stimulus saraf tiba di sel, membuka saluran natrium khusus di membran sel. Ion natrium bermuatan positif masuk ke dalam sel, dan potensial membran berubah, menjadi kurang negatif. Ketika titik yang dikenal sebagai ambang aksi tercapai, lebih banyak saluran natrium terbuka dan bagian dalam membran sel menjadi bermuatan positif, kebalikan dari normal.
Di sekitar puncak potensial aksi, saluran kalium terbuka dan kalium keluar dari sel. Hal ini membuat bagian dalam sel lebih negatif sehingga membran mengalami repolarisasi. Saluran natrium juga menutup sekitar waktu ini. Biasanya, repolarisasi melampaui dan secara bertahap kembali ke potensial membran istirahat normal. Proses membalikkan potensial membran untuk menciptakan potensial aksi inilah yang memungkinkan impuls ditransmisikan di sepanjang saraf.