Nervceller har en negativ elektrisk laddning över sina plasmamembran, känd som vilopotentialen. Plasmamembranet är ett tunt gränsskikt som omsluter nervcellen, och vilopotentialen finns eftersom cellens insida är negativt laddad jämfört med utsidan. När en signalsubstans, en kemikalie som bär signaler mellan nervceller, anländer till membranet, eller membranet störs mekaniskt, förändras laddningen över membranet och blir mer positiv. Denna förändring är känd som depolarisering och, om den når en viss nivå, uppstår det som kallas en aktionspotential, där en elektrisk impuls överförs längs nerven. Efter en aktionspotential repolariseras membranet, blir negativt laddat igen och återställer vilopotentialen.
Vilopotentialen hos nervcellsmembran skapas av olika koncentrationer av positivt laddade natriumjoner och kaliumjoner på varje sida av membranet. Det finns mer kalium inuti cellen och mer natrium utanför cellen. Anledningen till detta är en natrium-kaliumpump placerad i cellmembranet, som aktivt flyttar natrium ut ur cellen och kalium in i cellen.
Det finns kanaler i membranet genom vilka natrium- och kaliumjoner kan färdas, men när membranet är i vila är natriumkanalerna stängda och bara några av kaliumkanalerna är öppna. Natriumjoner tvingas stanna utanför cellen, medan vissa kaliumjoner flyr från cellen för att förena dem genom de öppna kanalerna. Nettoresultatet är att fler positivt laddade joner hamnar utanför cellen än inuti, och detta skapar den negativa laddningen över membranet, känd som vilopotentialen, som är nödvändig om neurondepolarisering ska ske.
För att en aktionspotential ska äga rum måste först nervcellen stimuleras genom att sträckas ut eller genom att en signalsubstans kommer. En depolariserande effekt uppstår då eftersom natriumkanaler öppnar sig och släpper in natrium i cellen, vilket ökar antalet positivt laddade joner inuti och gör den elektriska potentialen över membranet mer positiv. När depolariseringen når en tröskelnivå öppnar sig många natriumkanaler samtidigt och en aktionspotential uppstår, där fullständig membrandepolarisering plötsligt äger rum, med depolarisering som också passerar längs nervcellen i en våg.
Efter depolarisering sker repolarisering efter ett kort intervall som kallas refraktärperioden. Under den perioden har varje ytterligare stimulans som appliceras på cellen ingen effekt. Den refraktära perioden varar bara i en bråkdel av en sekund, vilket gör att en nerv kan skjuta många gånger inom loppet av en sekund. Repolarisering innebär att kaliumjoner flyttas ut ur cellen först, innan natrium aktivt pumpas ut. När membranpotentialen har nått den nödvändiga negativa laddningen uppnås vilopotentialen och nerven är redo att skjuta igen.