Ένα δυναμικό μεμβράνης είναι η τάση που υπάρχει κατά μήκος της μεμβράνης ενός στοιχείου. Είναι επίσης γνωστό ως διαμεμβρανικό δυναμικό και είναι ιδιαίτερα σημαντικό στα νευρικά κύτταρα ή νευρώνες. Το δυναμικό της μεμβράνης προκαλείται από μια διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού του κυττάρου. Όταν ένας νευρώνας βρίσκεται σε ηρεμία, δηλαδή δεν εκπέμπει νευρική ώθηση, το εσωτερικό της κυτταρικής του μεμβράνης έχει αρνητικό φορτίο σε σύγκριση με το εξωτερικό του κυττάρου. Αυτό προκύπτει από διαφορετικές συγκεντρώσεις φορτισμένων ιόντων αμέσως εντός και εκτός της μεμβράνης.
Τα δυναμικά των μεμβρανών προκύπτουν επειδή οι κυτταρικές μεμβράνες δεν επιτρέπουν στα ιόντα νατρίου και καλίου να περάσουν ελεύθερα μέσα και έξω από τα κύτταρα και να φτάσουν σε μια ισορροπία. Αντίθετα, ειδικές διόδους γνωστές ως κανάλια ιόντων επιτρέπουν στα ιόντα καλίου να μετακινηθούν έξω μέσω της κυτταρικής μεμβράνης, μειώνοντας το θετικό φορτίο μέσα στο κύτταρο. Οι αντλίες ιόντων στη μεμβράνη χρησιμοποιούν ενέργεια για να αντλούν ιόντα νατρίου έξω από το κύτταρο, ενώ αντλούν το κάλιο. θετικό φορτίο από το κύτταρο. Τα αρνητικά φορτισμένα μόρια πρωτεΐνης μέσα στο κύτταρο επίσης εμποδίζονται να φύγουν.
Μαζί, αυτοί οι παράγοντες δημιουργούν ένα αρνητικό φορτίο στο εσωτερικό του κυττάρου σε σχέση με το εξωτερικό, το οποίο σχηματίζει το δυναμικό της μεμβράνης. Το δυναμικό είναι σταθερό σε ηρεμία, αλλά αλλάζει στα νευρικά κύτταρα όταν οι ώσεις μεταδίδονται από τον ένα νευρώνα στον άλλο. Κατά τη μετάδοση των νευρικών παλμών, συμβαίνει αυτό που είναι γνωστό ως δυναμικό δράσης, όπου η κυτταρική μεμβράνη περνά από μια διαδικασία που ονομάζεται αποπόλωση. Μετά το δυναμικό δράσης, το δυναμικό της μεμβράνης επιστρέφει στην κανονική του κατάσταση ηρεμίας, η οποία συνήθως μετράται ως διαφορά -70 millivolt μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού της μεμβράνης.
Το δυναμικό δράσης ξεκινά όταν ένα νευρικό ερέθισμα φτάσει στο κύτταρο, ανοίγοντας ειδικά κανάλια νατρίου στην κυτταρική μεμβράνη. Τα θετικά φορτισμένα ιόντα νατρίου περνούν στο κύτταρο και το δυναμικό της μεμβράνης αλλάζει, καθιστώντας λιγότερο αρνητικό. Όταν επιτευχθεί ένα σημείο γνωστό ως κατώφλι δράσης, ανοίγουν πολλά περισσότερα κανάλια νατρίου και το εσωτερικό της κυτταρικής μεμβράνης φορτίζεται θετικά, το αντίστροφο από το κανονικό.
Γύρω στην κορυφή του δυναμικού δράσης, τα κανάλια καλίου ανοίγουν και το κάλιο πλημμυρίζει έξω από το κύτταρο. Αυτό κάνει το εσωτερικό του κυττάρου πιο αρνητικό, έτσι ώστε η μεμβράνη να επαναπολώνεται. Τα κανάλια νατρίου κλείνουν επίσης αυτή τη στιγμή. Συνήθως, η επαναπόλωση υπερβαίνει και σταδιακά επιστρέφει στο κανονικό δυναμικό ηρεμίας της μεμβράνης. Αυτή η διαδικασία αντιστροφής του δυναμικού της μεμβράνης για τη δημιουργία ενός δυναμικού δράσης είναι αυτή που επιτρέπει τη μετάδοση των παρορμήσεων κατά μήκος των νεύρων.