Potencialas arba potencialų skirtumas atsiranda, kai skiriasi dviejų taškų elektros krūvis. Šis krūvio skirtumas dažniausiai atsiranda dėl priešingai įkrautų jonų koncentracijos kiekviename taške. Veikimo potencialas atsiranda, kai staigiai ir staigiai pasikeičia potencialų skirtumas per nervinės ląstelės membraną, kuris plinta per visą ląstelės ilgį.
Kai nervinis impulsas neperduodamas, nervinės ląstelės viduje yra neigiamas krūvis, o išorėje – teigiamas. Teigiama, kad jis yra ramybės būsenoje, todėl potencialų skirtumas šiuo metu yra ramybės potencialas. Krūvių skirtumas atsiranda dėl to, kad ląstelėje ir aplink ją randamas jonų kiekis. Nervinių ląstelių atveju potencialų skirtumas atsiranda dėl natrio ir kalio jonų.
Visi nerviniai impulsai yra joniniai. Kai nervinė ląstelė yra ramybės būsenoje, abiejose membranos pusėse yra skirtingos kalio ir natrio jonų koncentracijos. Šį skirtumą palaiko membranoje esantys natrio-kalio siurbliai. Šis siurblys pumpuoja natrio jonus iš ląstelės ir kalio jonus.
Kalio ir natrio jonai pasklinda per membraną dėl koncentracijos skirtumo abiejose pusėse. Kalio jonai gali lengvai difunduoti iš ląstelės, tačiau membrana yra santykinai nepralaidi difunduojantiems natrio jonams. Bendras rezultatas yra toks, kad nervinės ląstelės viduje yra neigiamas krūvis, palyginti su ląstelės išore.
Kai nervinė ląstelė yra stimuliuojama ir pradedamas impulsas, situacija akimirksniu pasikeičia. Ląstelės vidus tampa teigiamas, o išorė – neigiama. Šis staigus ramybės potencialo pasikeitimas, lydintis impulsą, yra veikimo potencialas. Veiksmo potencialas yra labai trumpalaikis, todėl impulsas iš tikrųjų yra depoliarizacijos arba veikimo potencialo banga, kuri praeina išilgai ląstelės.
Impulso metu ląstelės membrana tampa pralaidi natrio jonams. Natrio jonai turi labai didelę koncentraciją už membranos ribų, todėl greitai pasklinda į ląstelę. Tai vyksta labai greitai ir pakeičia poilsio potencialą. Kadangi dabar ląstelėje randama tiek daug teigiamų jonų, viduje yra teigiamas krūvis, palyginti su išore.
Natrio jonai gali patekti į ląstelę jonų kanalais. Kai ląstelė ilsisi, jonų kanalai lieka uždaryti ir neleidžia natrio jonams patekti į ląstelę. Kai juos stimuliuoja impulsas, jie atsidaro ir leidžia natrio jonams įsiveržti. Tokiu būdu veikimo potencialai ir impulsai sklinda savaime. Veikimo potencialas vienoje membranos srityje stimuliuoja kitą sritį, todėl jonų kanalai atsidaro. Tai savo ruožtu pradeda veikimo potencialą, kuris vėliau stimuliuoja sekančią sritį ir pan.
Kai natrio jonai patenka į ląstelę, kalio jonai išeina. Tai yra atsigavimo proceso pradžia, kai ląstelės vidus pradeda atgauti neigiamą krūvį. Po to, kai veikimo potencialas praeina ir juda išilgai ląstelės membranos, jonų kanalai užsidaro ir membrana tampa nepralaidi natrio jonams. Natrio ir kalio siurblys vėl išpumpuoja natrio jonus, o kalio jonus patenka, todėl atkuriamas ramybės potencialas.