Potential, eller potentialskillnad, uppstår när det finns en skillnad i elektrisk laddning mellan två punkter. Denna skillnad i laddning beror vanligtvis på en koncentration av motsatt laddade joner vid varje punkt. Aktionspotential uppstår när det sker en plötslig och skarp förändring i potentialskillnaden över membranet i en nervcell som fortplantas längs cellens längd.
När en nervimpuls inte överförs har insidan av nervcellen en negativ laddning och utsidan en positiv. Det sägs vara i vilotillstånd, så potentialskillnaden vid denna tidpunkt är vilopotentialen. Skillnaden i laddningar beror på att mängder joner finns inuti och runt cellen. När det gäller nervceller beror potentialskillnaden på natrium- och kaliumjoner.
Alla nervimpulser är joniska till sin natur. När nervcellen är i vila finns det olika koncentrationer av kalium- och natriumjonerna på vardera sidan av membranet. Denna skillnad upprätthålls av natrium-kaliumpumpar i membranet. Denna pump pumpar natriumjoner ut ur cellen och kaliumjoner in.
Kalium- och natriumjoner diffunderar över membranet på grund av skillnaden i koncentration på båda sidor. Kaliumjoner kan lätt diffundera ut ur cellen, men membranet är relativt ogenomträngligt för natriumjoner som diffunderar in. Det övergripande resultatet är att insidan av nervcellen har en negativ laddning i förhållande till utsidan av cellen.
När nervcellen stimuleras och en impuls initieras är situationen momentant omvänd. Insidan av cellen blir positiv och utsidan negativ. Denna plötsliga omkastning av vilopotentialen som följer med impulsen är handlingspotentialen. En aktionspotential är extremt kortlivad, så en impuls är faktiskt en våg av depolarisering, eller aktionspotentialer, som passerar längs cellen.
Under en impuls blir cellmembranet permeabelt för natriumjoner. Natriumjonerna har en mycket hög koncentration utanför membranet, så de diffunderar snabbt in i cellen. Detta sker mycket snabbt och vänder vilopotentialen. Med så många positiva joner som nu finns i cellen, har insidan en positiv laddning i förhållande till utsidan.
Natriumjoner kan komma in i cellen genom jonkanaler. När cellen vilar förblir jonkanalerna stängda och hindrar natriumjonerna från att komma in i cellen. När de stimuleras av en impuls öppnar de sig och tillåter inströmning av natriumjoner. På så sätt är handlingspotentialer och impulser självutbredning. Aktionspotentialen i ett område av membranet stimulerar följande område vilket gör att jonkanalerna öppnas. Detta startar i sin tur en aktionspotential, som sedan stimulerar följande område och så vidare.
När natriumjonerna kommer in i cellen lämnar kaliumjonerna. Detta är början på återhämtningsprocessen där insidan av cellen börjar återfå sin negativa laddning. Efter att aktionspotentialen har passerat och rört sig längs cellmembranet stänger jonkanalerna och membranet blir ogenomträngligt för natriumjoner. Natrium-kaliumpumpen pumpar återigen natriumjonerna ut och kaliumjonerna in, vilket resulterar i att vilopotentialen återställs.