Potensial, atau beda potensial, terjadi ketika ada perbedaan muatan listrik antara dua titik. Perbedaan ini yang bertanggung jawab biasanya karena konsentrasi muatan ion yang berbeda pada setiap titik. Potensial aksi terjadi ketika ada perubahan mendadak dan tajam dalam perbedaan potensial melintasi membran sel saraf yang disebarkan sepanjang sel.
Ketika impuls saraf tidak sedang dikirim, bagian dalam sel saraf memiliki muatan negatif dan bagian luar yang positif. Hal ini dikatakan dalam keadaan istirahat, sehingga perbedaan potensial saat ini adalah potensi istirahat. Perbedaan muatan ini disebabkan jumlah ion yang ditemukan di dalam dan sekitar sel. Dalam kasus sel-sel saraf, perbedaan potensial adalah karena ion natrium dan kalium.
Semua impuls saraf adalah ionik. Ketika sel saraf beristirahat, ada konsentrasi yang berbeda dari ion kalium dan natrium di kedua sisi membran. Perbedaan ini dikelola oleh pompa natrium-kalium dalam membran. Pompa ini memompa ion natrium keluar dari sel dan ion kalium dalam. Ion kalium dan natrium berdifusi melintasi membran karena perbedaan konsentrasi di kedua sisi. Ion kalium dapat dengan mudah berdifusi keluar dari sel, tetapi membran relatif kedap terhadap penyebaran ion natrium. Hasil keseluruhan dalam sel saraf akan memiliki muatan relatif negatif dibanding luar sel.
Ketika sel saraf dirangsang dan impuls dimulai, situasi sesaat terbalik. Bagian dalam sel menjadi positif dan negatif di luar. Pembalikan arah potensial istirahat yang menyertai dorongan adalah potensial aksi. Potensial aksi sangat singkat, sehingga dorongan sebenarnya berupa gelombang depolarisasi, atau potensial aksi, yang melewati sepanjang sel.
Selama impuls, membran sel menjadi permeabel terhadap ion natrium. Ion natrium memiliki konsentrasi yang sangat tinggi di luar membran, sehingga mereka dengan cepat menyebar ke dalam sel. Ini berlangsung sangat cepat dan membalikkan potensial istirahat. Dengan begitu banyak ion positif sekarang yang ditemukan dalam sel, di dalam akan memiliki muatan relatif positif daripada di luar.
Ion natrium dapat masuk ke dalam sel melalui saluran ion. Ketika sel sedang beristirahat, saluran ion tetap ditutup dan menjaga ion natrium tidak memasuki sel. Ketika mereka distimulasi oleh impuls, mereka membuka dan memungkinkan aliran masuk dari ion natrium. Dengan cara ini, potensial aksi dan impuls dapat merambat sendiri. Potensial aksi di salah satu daerah membran merangsang daerah berikut menyebabkan saluran ion untuk membuka. Hal ini pada gilirannya memulai potensial aksi, yang kemudian merangsang daerah berikut dan seterusnya.
Saat ion natrium masuk ke dalam sel, ion kalium akan meninggalkan. Ini adalah awal dari proses pemulihan di mana dalam sel mulai mendapatkan kembali muatan negatif. Setelah potensial aksi telah berlalu dan bergerak sepanjang membran sel, saluran ion terdekat dan membran menjadi kedap ion natrium. Pompa Natrium-kalium sekali lagi memompa ion natrium keluar dan ion kalium ke dalam, sehingga keadaan potensial istirahat akan dipulihkan.
