Potențialul sau diferența de potențial apare atunci când există o diferență de sarcină electrică între două puncte. Această diferență de sarcină se datorează de obicei unei concentrații de ioni încărcați opus în fiecare punct. Potențialul de acțiune apare atunci când are loc o schimbare bruscă și bruscă a diferenței de potențial de-a lungul membranei unei celule nervoase care se propaga pe lungimea celulei.
Când un impuls nervos nu este transmis, interiorul celulei nervoase are o sarcină negativă, iar exteriorul unul pozitiv. Se spune că este în stare de repaus, așa că diferența de potențial în acest moment este potențialul de repaus. Diferența de încărcare se datorează cantităților de ioni care se găsesc în interiorul și în jurul celulei. În cazul celulelor nervoase, diferența de potențial se datorează ionilor de sodiu și potasiu.
Toate impulsurile nervoase sunt de natură ionică. Când celula nervoasă este în repaus, există concentrații diferite de ioni de potasiu și sodiu de fiecare parte a membranei. Această diferență este menținută prin pompe de sodiu-potasiu din membrană. Această pompă pompează ionii de sodiu din celulă și ionii de potasiu înăuntru.
Ionii de potasiu și sodiu difuzează prin membrană datorită diferenței de concentrație pe ambele părți. Ionii de potasiu pot difuza cu ușurință în afara celulei, dar membrana este relativ impermeabilă la ionii de sodiu care se difuzează în interior. Rezultatul general este că interiorul celulei nervoase are o sarcină negativă în raport cu exteriorul celulei.
Când celula nervoasă este stimulată și este inițiat un impuls, situația se inversează momentan. Interiorul celulei devine pozitiv, iar exteriorul negativ. Această inversare bruscă a potențialului de repaus care însoțește impulsul este potențialul de acțiune. Un potențial de acțiune este extrem de de scurtă durată, așa că un impuls este de fapt un val de depolarizare, sau potențiale de acțiune, care trece de-a lungul celulei.
În timpul unui impuls, membrana celulară devine permeabilă la ionii de sodiu. Ionii de sodiu au o concentrație foarte mare în afara membranei, astfel încât difuzează rapid în celulă. Acest lucru are loc foarte rapid și inversează potențialul de odihnă. Cu atât de mulți ioni pozitivi găsiți acum în interiorul celulei, interiorul are o sarcină pozitivă în raport cu exteriorul.
Ionii de sodiu sunt capabili să intre în celulă prin canale ionice. Când celula este în repaus, canalele ionice rămân închise și împiedică ionii de sodiu să intre în celulă. Când sunt stimulați de un impuls, se deschid și permit pătrunderea ionilor de sodiu. În acest fel, potențialele de acțiune și impulsurile se autopropaga. Potențialul de acțiune într-o zonă a membranei stimulează următoarea zonă provocând deschiderea canalelor ionice. Acesta la rândul său începe un potențial de acțiune, care apoi stimulează zona următoare și așa mai departe.
Pe măsură ce ionii de sodiu intră în celulă, ionii de potasiu pleacă. Acesta este începutul procesului de recuperare în care interiorul celulei începe să-și recapete sarcina negativă. După ce potențialul de acțiune a trecut și s-a deplasat de-a lungul membranei celulare, canalele ionice se închid și membrana devine impermeabilă la ionii de sodiu. Pompa de sodiu-potasiu pompează din nou ionii de sodiu afară și ionii de potasiu înăuntru, rezultând restabilirea potențialului de repaus.