La llegada de información procedente de otras neuronas puede producir diferentes cambios en el potencial de reposo. Si aumenta la diferencia de potencial entre el interior y exterior celular, es decir, el potencial de membrana se vuelve más negativo, se produce una hiperpolarización. Si por el contrario, se reduce la diferencia de potencial y el potencial de membrana se vuelve menos negativo, tiene lugar una despolarización. Para que se dispare un potencial de acción o rápida inversión del potencial de membrana de forma que éste adopta un valor positivo de unos +50mV, es necesario que se produzca una des polarización de una determinada magnitud, de forma que se alcance el umbral de excitación, si esto no ocurre, el potencial de acción no se produce. Por ello se dice que el potencial de acción sigue la ley del todo o nada.
El período en el que se produce la despolarización y rápida inversión del potencial de membrana es la fase ascendente del potencial de acción. Durante esta fase, se producen cambios en la permeabilidad de la membrana a los iones Na+ y K+, debido a la apertura de canales iónicos específicos para estos iones que son dependientes de voltaje. Tras la despolarización inicial se produce la apertura de canales de Na+ y con un cierto retraso temporal se abren también los canales de K. Cuando el potencial de membrana adopta un valor positivo de unos +50mV se inactivan los canales de Na+, mientras que los de K+ siguen abiertos. Durante el período en que los canales de Na están inactivados, la neurona no puede generar un nuevo potencial de acción en respuesta a una nueva información, por lo que se dice que está en período refractario absoluto.
En la fase descendente o de repolarización, los canales de Na+ pasan del estado de inactivación al estado de cerrados, mientras que los de K+ siguen abiertos. A medida que el potencial de membrana se hace negativo, los canales de K+ también se cierran. Al final de esta fase y durante un breve período, el potencial de membrana se encuentra hiperpolarizado adoptando un valor de unos -90mV. En este momento, la neurona puede responder con un nuevo potencial de acción aunque necesita una mayor magnitud de despolarización para que el potencial de membrana alcance el umbral de excitación. Es el periodo refractario relativo.
El término conductancia es similar al de permeabilidad pero no significan lo mismo. El primero hace referencia al flujo de corrientes iónicas que atraviesan la membrana, mientras que el segundo se refiere a la existencia de canales iónicos abiertos que permiten el paso de estas corrientes. Durante el disparo de un potencial de acción, ambos términos pueden usarse indistintamente. La conductancia para el Na+ es máxima en la fase ascendente, mientras que la conductancia para el K+ adquiere su máximo valor en la fase descendente.