În numeroase situații, inițierea activității nervoase este dată de stimularea unui receptor de la suprafața corpului. Printre cei mai cunoscuți receptori ar fi neuronii din organele senzoriale (cum ar fi ochiul, nasul). Alți receptori de la nivelul pielii răspund la presiune, atingere, căldură, frig. Odată ce un receptor a fost stimulat, are loc transmiterea mesajului neuronal către SNC printr-un neuron senzorial. Originea impulsului nervos este dată de un proces electrochimic care constă în modificarea distribuției ionilor în celula nervoasă.

În stare de repaus, neuronul nu transmite impulsuri și prezintă o încărcătură electrică pozitivă la nivelul suprafeței externe a membranei celulare și o încărcătură electrică negativă la interior, a citoplasmei. Prin urmare, în repaus, neuronul este polarizat, deoarece sarcinile electrice de pe cele două fețe ale membranei sunt opuse. Diferența (dezechilibrul) dintre cele două sarcini electrice aflate de o parte și de alta a membranei celulare, se numește potențial de repaus. Dacă această diferență se modifică, sarcinile electrice vor determina o acțiune.

Potențialul de repaus într-un neuron aflat în repaus este de circa 70 mV (milivolți). Prin convenție, acesta se exprimă ca fiind -70 mV (electronegativ), deoarece suprafața internă a membranei celulare are o sarcină electrică negativă, comparativ cu exteriorul ei.

Potențialul de repaus este rezultatul:

• unui exces de ioni cu sarcină pozitivă, în exteriorul membranei celulare (comparativ cu interiorul);
• unui ușor exces de ioni cu sarcină negativă în citoplasmă (includ ionii fosfat organic);
• numărul mare de ioni negativi din interiorul celulei este justificat și de proteinele citoplasmatice care au sarcină electrică negativă;
• concentrației ionilor de sodiu de 10 ori mai mare în exteriorul celulei, comparativ cu interiorul; deci suprafața externă va avea sarcină pozitivă.

Dezechilibrul ionic din celulele nervoase este dat de mai mulți factori, printre care:

• pompa sodiu-potasiu - foarte efecientă: transportă activ 3Na⁺ în exteriorul celulei și introduce în celulă 2K⁺; funcționează împotriva gradientului de concentrație, deci cu consum mare de ATP pentru a furniza energie suficientă; în exteriorul celulei se pompează un număr mai mare de sarcini pozitive comparativ cu interior și astfel apare un potențial electric negativ în interior (intracelular);
• difuziunea ionilor din zone cu concentrație mai mare spre zone cu concentrație mai scăzută, prin canale membranare; unele dintre aceste canale sunt alcătuite din proteine membranare care sunt modificate structural ca să se poată deschide atunci când membrana este stimulată. Canalele de acest fel se numesc canale cu poartă, „gated channels” deoarece funcționează ca niște porți și sunt specifice pentru variate tipuri de ioni. Exemple: canalele de sodiu, canalele de potasiu.  

   

  Un stimul de natură electrică, mecanică sau chimică modifică potențialul de repaus prin deschiderea canalelor de sodiu care vor permite influxul de ioni de sodiu în celulă, proces care are loc la generarea unui potențial de acțiune (impuls nervos). Prin intrarea ionilor de sodiu în celulă, membrana neuronului se depolarizează. În cursul depolarizării, valoarea potențialului de repaus urcă până la circa -55 mV care constituie intensitatea prag a unui impuls nervos. Acesta este momentul în care canalele voltaj-dependente se deschid și astfel are loc un influx și mai mare și rapid de ioni de sodiu în celulă. Durata acestui influx este de o miime de secundă, după care are loc închiderea canalelor. Polaritatea este inversată temporar, deoarece, valoarea potențialului de repaus își continuă creșterea până la aprox. +35 mV ("pozitiv").

  O zonă activată a unui neuron are o sarcină pozitivă datorită influxului de ioni de sodiu - ea este depolarizată.

  În cazul în care potențialul de acțiune este suficient de puternic încât să depolarizeze zona învecinată a membranei, deschizând mai multe canale de sodiu voltaj-dependente, zona respectivă se va depolariza și procesul se repetă. În acest fel, o undă de depolarizare se propagă ca o reacție în lanț. Unda se transmite („călătorește”) în lungul neuronului și constituie potențialul de acțiune (impulsul nervos).

  În momentul în care potențialul de acțiune a părăsit zona inițială, are loc repolarizarea membranei. În acest fel, canalele de sodiu se închid, canalele de potasiu se deschid, favorizând ieșirea potasiului din celulă care duce la pozitivarea sarcinilor în exteriorul membranei (membrana se repolarizează) și pregătirea ei astfel pentru declanșarea unui nou impuls nervos. Durata întregului ciclu de depolarizare-repolarizare se desfășoară în mai puțin de o milisecundă.

  În secundele ulterioare, are loc reîntoarcerea la starea de repaus care implică expulzarea sodiului în exteriorul neuronului. În stare depolarizată, neuronul este refractar, adică poate transmite un alt potențial de acțiune doar dacă stimulul aplicat este foarte puternic. După ce ionii de sodiu au fost pompați în exteriorul celulei și a avut loc restabilirea potențialului de repaus, neuronul poate să genereze un nou potențial de acțiune.  

  

  În acest fel, celula nervoasă urmează legea „totul sau nimic”, care se traduce prin:

  • un stimul suficient de puternic să depolarizeze neuronul la pragul critic, duce la generarea unui impuls nervos;
  • un stimul mai puternic are ca rezultat același impuls nervos generat;
  • neuronul transmite sau nu impuls nervos;
  • intensitatea impulsului nervos nu prezintă variații.

  Cu toate acestea, un stimul foarte puternic poate genera câteva impulsuri nervoase sau potențiale de acțiune succesive.

  Prezența tecii de mielină la nivelul axonilor și/ sau dendritelor favorizează o transmitere mai rapidă la acest nivel a impulsului nervos. Teaca de mielină este întreruptă din loc în loc de nodurile Ranvier care constituie totodată și singurul loc prin care ionii pătrund sau ies din neuron. Drept urmare, impulsul nervos nu se distribuie constant în lungul neuronului, ci „sare” de la un nod la altul. Fenomenul este denumit conducere (propagare) saltatorie. Acest tip de conducere mărește mult viteza de transmitere a impulsurilor și permite astfel reacții mai rapide la stimuli. De exemplu, pentru a avea o viteză de reacție mai mare, răspunsurile reflexe necesită neuroni mielinici în SNP.