Tín hiệu thần kinh được lan truyền bởi điện thế hoạt động, là sự thay đổi nhanh chóng trong điện thế màng tế bào mà lan truyền nhanh dọc theo màng sợi thần kinh. Mỗi điện thế hoạt động bắt đầu với một sự thay đổi đột ngột điện thể âm lúc nghỉ của màng tế bào thành điện thế dương và kết thúc hầu như nhanh ngang bằng với sự thay đổi và trở về điện thế âm. Để dẫn truyền một tín hiệu thần kinh, điện thế hoạt động di chuyển dọc theo sợi thần kinh cho đến khi đến cuối sợi thần kinh.

Phía trên hình 5.6 cho thấy sự thay đổi xảy ra ở màng tế bào trong suốt điện thế hoạt động, với sự vận chuyển điện tích dương vào bên trong tế bào sợi thần kinh khi khởi đầu và sự quay trở về của điện tích dương ra bên ngoài khi chúng kết thúc. Phía dưới cho thấy đồ thị các sự thay đổi liên tiếp trong điện thế màng tế bào trong khoảng vài phần mười ngàn giây, tưởng tượng sự khởi phát đột ngột của điện thế hoạt động và giai đoạn hồi phục lại ban đầu hầu như gần bằng.

Các giai đoạn liên tục nhau của điện thế hoạt động như sau:

– Giai đoạn nghỉ: Giai đoạn nghỉ là điện thế nghỉ màng tế bào trước khi điện thế hoạt động bắt đầu. Màng tế bào được gọi là phân cực trong suốt giai đoạn này do điện thế -90 mV  tồn tại.

– Giai đoạn khử cực: Vào thời điểm này, màng tế bào đột ngột trở nên thấm với ion natri, cho phép lượng lớn ion natri mang điện tích dương khuếch tán vào bên trong trục tế bào thần kinh. Trạng thái phân cực bình thường -90 mV ngay lập tức trung hòa nhờ ion natri mang điện tích dương vào bên trong tế bào, với điện thế màng tế bào tăng lên nhanh chóng theo hướng dương – một quá trình gọi là khử cực. Ở các sợi thần kinh lớn, lượng ion natri dương khổng lồ di chuyển vào bên trong làm cho điện thế màng tế bào tăng thực sự quá mức trên mức 0 và trở nên hơi dương. Trong một vài sợi tế bào thần kinh nhỏ hơn, điện thế màng chắc chắn tiếp cận đến mức 0 và không quá mức đến trạng thái dương.

– Giai đoạn tái cực: Trong vài phần mười ngàn của một giây sau khi màng tế bào trở nên có tính thấm cao với ion natri, kênh ion natri bắt đầu đóng lại và kênh ion kali mở ra với mức độ lớn hơn bình thường. Sau đó, sự khuếch tán nhanh chóng của ion kali ra bên ngoài tái thiết lập điện thế âm lúc nghỉ của màng tế bào, gọi là tái phân cực màng tế bào.

TÓM TẮT CÁC SỰ KIỆN GÂY RA ĐIỆN THẾ HOẠT ĐỘNG

Hình 5-10 tóm tắt trình tự các sự kiện xảy ra trong suốt và ngay sau điện thế hoạt động. Phía dưới hình cho thấy sự thay đổi trong độ dẫn của màng đối với ion natri và kali. Trong suốt điện thế nghỉ của màng, trước khi điện thế hoạt động bắt đầu, độ dẫn của ion kali là 50 đến 100 lần so với độ dẫn ion natri. Sự khác biệt này gây ra bởi sự thoát của ion kali nhiều hơn nhiều qua các kênh. Tuy nhiên, lúc khởi đầu điện thế hoạt động , kênh natri trở nên được hoạt hóa một cách tự phát và tăng độ dẫn với ion natri của màng tế bào lên 5000 lần. Quá trình bất hoạt sau đó đóng kênh natri trong một phần một ngàn giây. Sự khởi phát của điện thế hoạt động cũng gây ra ảnh hưởng lên kênh kali có cổng điện thế, làm cho chúng bắt đầu mở chậm hơn một phần ngàn giây sau khi kênh natri mở. Ở cuối điện thế hoạt động, sự trở về điện thế màng tế bào thành điện thế âm làm cho kênh kali đóng về trạng thái ban đầu, nhưng một lần nữa, chỉ sau một phần ngàn giây nữa hoặc chậm hơn.

Trung tâm cuarhinhf 5-10 cho thấy tỉ số của độ dẫn ion natri đối với kali ở mỗi giai đoạn nhất định của điện thế hoạt động và ở phía trên mô tả này là điện thế hoạt động của chính nó. Trong suốt phần đầu của điện thế hoạt động, tỉ số độ dẫn của ion natri với ion kali tăng hơn 1000 lần. Vì thế, ion natri đi vào trong tế bào nhiều hơn nhiều so với ion kali đi ra ngoài. Điều này gây ra điện thế màng trở nên dương hơn lúc khởi đầu điện thế hoạt động. Sau đó kênh natri bắt đầu đóng và kênh kali bắt đầu mở và vì vậy tỉ số về độ dẫn chuyển về cao hơn đối với ion kali so với độ dẫn thấp của ion natri. Sự chuyển đổi này cho phép sự mất ion kali rất nhanh ra bên ngoài nhưng hầu như không có ion natri vào bên trong. Kế tiếp, điện thế hoạt động nhanh chóng trở về mức nền ban đầu.