Sel saraf memiliki muatan listrik negatif melintasi membran plasma mereka, yang dikenal sebagai potensial istirahat. Membran plasma adalah lapisan batas tipis yang menyelubungi sel saraf, dan potensial istirahat ada karena bagian dalam sel bermuatan negatif dibandingkan dengan bagian luarnya. Ketika neurotransmitter, bahan kimia yang membawa sinyal antar sel saraf, tiba di membran, atau membran terganggu secara mekanis, muatan melintasi membran berubah, menjadi lebih positif. Perubahan ini dikenal sebagai depolarisasi dan, jika mencapai tingkat tertentu, terjadi apa yang disebut potensial aksi, di mana impuls listrik ditransmisikan di sepanjang saraf. Setelah potensial aksi, membran direpolarisasi, menjadi bermuatan negatif lagi dan memulihkan potensial istirahat.
Potensi istirahat membran sel saraf dibuat oleh konsentrasi yang tidak sama dari ion natrium bermuatan positif dan ion kalium di setiap sisi membran. Ada lebih banyak kalium di dalam sel dan lebih banyak natrium di luar sel. Alasan untuk ini adalah pompa natrium-kalium yang terletak di membran sel, yang secara aktif memindahkan natrium keluar sel dan kalium ke dalam sel.
Ada saluran di dalam membran yang dapat dilalui ion natrium dan kalium, tetapi ketika membran dalam keadaan diam, saluran natrium tertutup dan hanya sebagian saluran kalium yang terbuka. Ion natrium dipaksa untuk tetap berada di luar sel, sementara beberapa ion kalium keluar dari sel untuk bergabung dengan mereka melalui saluran terbuka. Hasil akhirnya adalah lebih banyak ion bermuatan positif berakhir di luar sel daripada di dalam, dan ini menciptakan muatan negatif melintasi membran, yang dikenal sebagai potensial istirahat, yang diperlukan jika depolarisasi neuron ingin terjadi.
Agar potensial aksi dapat terjadi, pertama-tama sel saraf harus dirangsang dengan cara diregangkan atau dengan kedatangan neurotransmitter. Efek depolarisasi kemudian terjadi karena saluran natrium terbuka dan memungkinkan natrium masuk ke dalam sel, meningkatkan jumlah ion bermuatan positif di dalam dan membuat potensial listrik melintasi membran menjadi lebih positif. Begitu depolarisasi mencapai tingkat ambang batas, banyak saluran natrium terbuka sekaligus dan potensial aksi terjadi, di mana depolarisasi membran lengkap tiba-tiba terjadi, dengan depolarisasi juga melewati sel saraf dalam gelombang.
Setelah depolarisasi, repolarisasi terjadi setelah interval singkat yang dikenal sebagai periode refraktori. Selama periode itu, setiap stimulus lebih lanjut yang diterapkan pada sel tidak berpengaruh. Periode refraktori berlangsung hanya sepersekian detik, memungkinkan saraf untuk menembak berkali-kali dalam waktu satu detik. Repolarisasi melibatkan ion kalium keluar dari sel terlebih dahulu, sebelum natrium secara aktif dipompa keluar. Setelah potensial membran mencapai muatan negatif yang diperlukan, potensial istirahat tercapai dan saraf siap untuk menembak lagi.