Ihre besondere Erregbarkeit und Leitfähigkeit für elektrische Signale erhalten Neuronen durch elektrisch geladene Atome (Ionen), insbesondere durch Natrium- und Kaliumionen.

Alle Zellen des Körpers wenden mindestens ein Drittel der ihnen zur Verfügung stehenden Energie dafür auf, Natriumionen aus der Zelle heraus und Kaliuminonen in die Zelle hinein zu pumpen. Hierdurch entsteht an der Zellmembran ein Ladungsunterschied von etwa 70 Millivolt (innen negativ), der als sogenanntes Ruhepotential bezeichnet wird.

Wird die Nervenzelle angeregt (physikalisch durch Lichtreize von außen oder auch chemisch durch Botenstoffe aus dem Körper), so ändern sich die elektrischen Eigenschaften grundlegend. Die Zell-Membran wird durchlässiger, so dass nun die Natriumionen in das Innere der Zelle diffundieren können.

In Form einer Alles-oder-Nichts-Reaktion kommt es bei Erreichung und Überschreitung des Aktionspotentials zu einem sehr rasch ablaufenden Output entlang des Axons. Die Zelle feuert. Sie sendet das Aktionspotential an andere nächste Zellen. Allerdings stellt sich ihr Ruhepotential innerhalb von 10 Millisekunden wieder ein.