Potensial, atau beda potensial, terjadi ketika ada perbedaan muatan listrik antara dua titik. Perbedaan muatan ini biasanya disebabkan oleh konsentrasi ion yang bermuatan berlawanan di setiap titik. Potensial aksi terjadi ketika ada perubahan mendadak dan tajam dalam perbedaan potensial melintasi membran sel saraf yang merambat di sepanjang sel.
Ketika impuls saraf tidak ditransmisikan, bagian dalam sel saraf memiliki muatan negatif dan bagian luarnya positif. Dikatakan dalam keadaan istirahat, jadi beda potensial saat ini adalah potensial istirahat. Perbedaan muatan disebabkan oleh jumlah ion yang ditemukan di dalam dan di sekitar sel. Dalam kasus sel saraf, perbedaan potensial disebabkan oleh ion natrium dan kalium.
Semua impuls saraf bersifat ionik. Ketika sel saraf dalam keadaan istirahat, terdapat perbedaan konsentrasi ion kalium dan natrium di kedua sisi membran. Perbedaan ini dipertahankan oleh pompa natrium-kalium dalam membran. Pompa ini memompa ion natrium keluar sel dan ion kalium masuk.
Ion kalium dan natrium berdifusi melintasi membran karena perbedaan konsentrasi di kedua sisi. Ion kalium dapat dengan mudah berdifusi keluar sel, tetapi membrannya relatif kedap terhadap ion natrium yang berdifusi masuk. Hasil keseluruhannya adalah bagian dalam sel saraf memiliki muatan negatif relatif terhadap bagian luar sel.
Ketika sel saraf dirangsang dan impuls dimulai, situasinya sejenak terbalik. Bagian dalam sel menjadi positif dan bagian luar menjadi negatif. Pembalikan tiba-tiba dari potensial istirahat yang menyertai impuls ini adalah potensial aksi. Potensial aksi sangat singkat, jadi impuls sebenarnya adalah gelombang depolarisasi, atau potensial aksi, yang melewati sel.
Selama impuls, membran sel menjadi permeabel terhadap ion natrium. Ion natrium memiliki konsentrasi yang sangat tinggi di luar membran, sehingga dengan cepat berdifusi ke dalam sel. Ini berlangsung sangat cepat dan membalikkan potensial istirahat. Dengan begitu banyak ion positif yang sekarang ditemukan di dalam sel, bagian dalam memiliki muatan positif relatif terhadap bagian luar.
Ion natrium dapat masuk ke dalam sel melalui saluran ion. Saat sel beristirahat, saluran ion tetap tertutup dan mencegah ion natrium masuk ke dalam sel. Ketika mereka dirangsang oleh impuls, mereka membuka dan memungkinkan masuknya ion natrium. Dengan cara ini, potensial aksi dan impuls menyebar dengan sendirinya. Potensial aksi di satu area membran merangsang area berikutnya yang menyebabkan saluran ion terbuka. Ini pada gilirannya memulai potensial aksi, yang kemudian merangsang area berikut dan seterusnya.
Saat ion natrium masuk ke dalam sel, ion kalium keluar. Ini adalah awal dari proses pemulihan di mana bagian dalam sel mulai mendapatkan kembali muatan negatifnya. Setelah potensial aksi lewat dan bergerak sepanjang membran sel, saluran ion menutup dan membran menjadi impermeabel terhadap ion natrium. Pompa natrium-kalium sekali lagi memompa ion natrium keluar dan ion kalium masuk, sehingga potensial istirahat dipulihkan.