Η υπερπόλωση συμβαίνει όταν η διαφορά στο ηλεκτρικό δυναμικό μεταξύ των δύο πλευρών μιας κυτταρικής μεμβράνης αλλάζει σημαντικά, με αποτέλεσμα ένα μεγάλο ηλεκτρικό δυναμικό σε όλη τη μεμβράνη. Συγκεκριμένα, η τιμή του ηλεκτρικού δυναμικού σε όλη τη μεμβράνη γίνεται πιο αρνητική, πράγμα που σημαίνει ότι το φορτίο στο εσωτερικό της μεμβράνης του κυττάρου είναι πιο αρνητικό από το φορτίο στο εξωτερικό της μεμβράνης. Αυτή η διαδικασία παρατηρείται συνήθως στη νευροεπιστήμη καθώς οι νευρώνες ενεργοποιούνται μέσω διαδικασιών που περιλαμβάνουν αλλαγές στο ηλεκτρικό δυναμικό. Το αντίθετο της υπερπόλωσης είναι η εκπόλωση, κατά την οποία το δυναμικό ενός κυττάρου γίνεται πιο θετικό, πράγμα που σημαίνει ότι υπάρχει σημαντικά λιγότερο αρνητικό φορτίο στο εσωτερικό της κυτταρικής μεμβράνης.
Οι ηλεκτροχημικές διεργασίες είναι γενικά υπεύθυνες για την εμφάνιση υπερπόλωσης στις κυτταρικές μεμβράνες. Οι συγκεντρώσεις διαφόρων χημικών ουσιών σε διαφορετικές πλευρές μιας μεμβράνης μπορούν να προκαλέσουν την ανάπτυξη ηλεκτρικού δυναμικού σε όλη τη μεμβράνη. Γενικά, όταν το ηλεκτρικό δυναμικό φτάσει σε ένα συγκεκριμένο σημείο, θα ξεκινήσει κάποια βιολογική διαδικασία, όπως η πυροδότηση ενός νευρώνα. Μετά από αυτό το σημείο, η μεμβράνη τείνει να επιστρέψει στο δυναμικό ηρεμίας της ή στο ηλεκτρικό δυναμικό πριν από οποιαδήποτε ερεθίσματα προκάλεσαν την εμφάνιση του ηλεκτροχημικού γεγονότος. Στους νευρώνες, αυτή η διαδικασία συμβαίνει συνεχώς. τα ερεθίσματα προκαλούν πόλωση σε μια μεμβράνη και όταν ο βαθμός της πόλωσης ξεπεράσει ένα ορισμένο όριο, ο νευρώνας πυροδοτείται και επιστρέφει στο δυναμικό ηρεμίας του.
Ένας νευρώνας δεν θα πυροδοτήσει έως ότου το ηλεκτρικό δυναμικό του ξεπεράσει ένα ορισμένο όριο. Μόλις φτάσει το κατώφλι, το ηλεκτρικό δυναμικό αυξάνεται δραστικά, επιτρέποντας στον νευρώνα να στείλει ένα ηλεκτρικό σήμα σε άλλα μέρη του σώματος. Η υπερπόλωση εμφανίζεται μετά από αυτή την αύξηση του δυναμικού. το ηλεκτροχημικό δυναμικό γίνεται για λίγο αρνητικό, πέφτοντας κάτω από το δυναμικό ηρεμίας, πριν επιστρέψει στο δυναμικό ανάπαυσης. Συνήθως, αυτό το στάδιο υπερπόλωσης διαρκεί μόνο για ένα μικρό κλάσμα του δευτερολέπτου.
Η υπερπόλωση και τα ηλεκτρικά δυναμικά στις μεμβράνες γενικά συνεπάγονται τη μεταφορά ηλεκτρονίων σε ιόντα. Ένα ιόν είναι ένα άτομο που έχει είτε θετικό είτε αρνητικό φορτίο. Τα ιόντα καλίου και χλωρίου εμπλέκονται συνήθως σε ηλεκτροχημικές δυνατότητες. οι σχετικές συγκεντρώσεις τους καθορίζουν το μέγεθος του ηλεκτροχημικού κυτταρικού δυναμικού. Στο στάδιο ανάπαυσης, το κάλιο βρίσκεται μέσα στην κυτταρική μεμβράνη. κατά την έκθεση σε ένα ερέθισμα, το κάλιο βγαίνει έξω και τα αρνητικά ιόντα χλωρίου ρέουν στο κύτταρο μέσω της μεμβράνης. Περιστασιακά, τα ιόντα νατρίου και ασβεστίου προκαλούν ηλεκτροχημικές κυτταρικές δυνατότητες και στις κυτταρικές μεμβράνες.