Quando o potencial de membrana de um neurônio despolariza até seu limite (tipicamente cerca de –55 mV), inicia-se uma onda eletroquímica rápida, de tudo-ou-nada e autopropulsada: o potencial de ação.
No limite, os canais de sódio (Na⁺) dependentes de voltagem se abrem, permitindo uma grande entrada de íons Na⁺ ao longo de seu gradiente eletroquímico. Essa entrada inverte rapidamente a polaridade da membrana, tornando o espaço intracelular temporariamente mais positivo que o extracelular — processo chamado despolarização (ultrapassagem até cerca de +30 mV).
A despolarização faz com que os canais de potássio (K⁺) dependentes de voltagem se abram (com um pequeno atraso), permitindo a saída de K⁺ que impulsiona a repolarização de volta ao potencial de repouso (–70 mV). Uma breve hiperpolarização (potencial pós-ação) ocorre antes que a bomba Na⁺/K⁺-ATPase restaure os gradientes iônicos.
Essa sequência — limite → entrada de Na⁺ → despolarização → saída de K⁺ → repolarização — é o mecanismo fundamental pelo qual os neurônios transmitem sinais por longas distâncias.