Actiepotentialen ontstaan in zenuwcellen door het openen van natrium- en kaliumpoorten. Een prikkel boven de drempelwaarde leidt altijd tot een actiepotentiaal. Een sterkere prikkel leidt tot meer actiepotentialen per seconde. Natrium-kaliumpompen polariseren het membraan van een smaak zintuig: de buitenkant is positief geladen ten opzichte van de binnenkant. Wanneer veel Na+ – ionen naar binnen stromen, depolariseert het membraam van de cel en loost de cel transmitterstof. Het membraam repolariseert door de uitstroom van K+ -ionen.
Een actiepotentiaal is de spanningsverandering die optreedt ter hoogte van de membraan van een zenuwcel of spiercel, wanneer deze voldoende geprikkeld wordt. In rusttoestand is er bij een zenuwcel of spiercel permanent een overmaat aan negatieve ladingen aan de binnenkant van de membraan t.o.v. de buitenkant. Dit resulteert in een constant potentiaalverschil tussen de buiten- en binnenkant van de membraan; men noemt dit de rustpotentiaal. In deze toestand zijn de activeringspoorten van natrium- en kalium spanningskanalen gesloten. Door een prikkel gaan de activeringspoorten op sommige natrium spanningskanalen open en natriumionen stromen naar binnen.
Is de prikkel groot genoeg (groter dan de zogenaamde drempelwaarde), dan openen de activeringspoorten van de meeste natrium spanningskanalen zich en dit veroorzaakt een sterke depolarisering van het membraan.
De inactiveringspoorten van de meeste natrium spanningskanalen sluiten, waardoor de instroom van de natriumionen stopt. De activeringspoorten van de meeste kalium spanningskanalen openen, waardoor kaliumionen massaal naar buiten stromen en het membraan gerepolariseerd wordt.
Beide poorten van de natrium spanningskanalen zijn nu gesloten, maar de activeringspoorten van sommige kalium spanningskanalen zijn nog geopend, wat resulteert in een tijdelijke hyperpolarisering van het membraan. De begintoestand wordt hersteld wanneer deze poorten sluiten en de inactiveringspoorten van de meeste natrium spanningskanalen weer openen.
De grootte van het actiepotentiaal hangt niet af van de sterkte van de prikkel; eens de drempelwaarde overschreden treedt de actiepotentiaal op. De impuls is een alles-of-niets fenomeen: hij treedt op, of hij treedt niet op. Kort na de depolarisering volgt een kleine tijdspanne (enkele milliseconden) waarbinnen de zenuwcel niet reageert op prikkels (zelfs niet op sterke); men noemt dit de absolute refractaire periode.
