Yleensä toimintapotentiaalin vaiheet tiivistetään viidessä vaiheessa, joista kaksi ensimmäistä ovat nousuvaihe ja ylitysvaihe. Kolme jälkimmäistä vaihetta ovat putoaminen, alamäki ja toipumisvaiheet. Jotkut lähteet, olivatpa fysiologit tai oppikirjat, sisältävät toisinaan alkuvaiheen ennen nousuvaihetta, kun ne luettelevat toimintapotentiaalin vaiheita, luultavasti havainnollistamaan neuronin tilannetta ennen toimintapotentiaalin alkamista.
Toimintapotentiaali on tapahtuma, joka tapahtuu neuronien välillä lähettääkseen viestejä aivoista kehon eri osiin, olipa kyse vapaaehtoisista tai tahattomista toiminnoista. Yksinkertaisimmassa mielessä toimintapotentiaalia voidaan kuvata lyhyinä sähköpulsseina, jotka syntyvät neuronin solurungon sisään. Nämä pulssit johtuvat positiivisten ja negatiivisten ionien vaihdosta, kun kalium- ja natriumionit poistuvat ja tulevat solun runkoon. Vaihdon “kipinä” kulkee sitten aksonia tai neuronin varren kaltaista osaa kohti toista neuronia kohti ja sykli jatkuu. Monissa tapauksissa, kun aivojen on “lähetettävä” monia “viestejä”, toimintapotentiaalia voi esiintyä sarjassa, jota kutsutaan “piikkijunaksi”.
Neuroni sisältää yleensä positiivisesti varautuneita kaliumioneja (+K), kun taas natriumionit (+Na), myös positiivisesti varautuneet, sijaitsevat neuronien kehällä. Lepovaiheen aikana neuroni on inaktiivinen ja sisältää “7 potenttisen” sähköpotentiaalin “(mV). Tätä negatiivista varausta ylläpitää neuronin natrium-kaliumpumppu, joka tuo sisään kaksi +K-ionia ja kuljettaa kolme +Na-ionia ulos kalvosta. Kun aivot “lähettävät” viestin, merkittävä määrä +Na -ioneja tulee neuroniin, ja toimintapotentiaalin nousevat ja ylittävät vaiheet tapahtuvat. Näissä vaiheissa neuroni kokee “depolarisaation” ja siitä tulee positiivisesti varautunut +Na -ionien sisäänpääsyn vuoksi.
Neuroni saavuttaa ylitysvaiheen, kun sen positiivinen varaus ylittää 0 mV. Mitä enemmän positiivisesti varautunut neuroni tulee, sitä enemmän natriumkanavia alkaa avautua ja lisää +Na-ioneja juoksee sisään, mikä vaikeuttaa kalium-natriumpumpun ionien kuljettamista. Positiivisten ionien vapauttamiseksi kaliumkanavat avautuvat heti, kun natriumkanavat sulkeutuvat, ja toimintapotentiaalin putoavat ja alittavat vaiheet tapahtuvat. Näissä vaiheissa neuroni kokee “repolarisaation” ja siitä tulee negatiivisesti varautuneempi niin paljon, että varaus osuu alle -70 mV: n alivaihevaiheissa, joka tunnetaan myös nimellä “hyperpolarisaatio”.
Kun sekä kalium- että natriumkanavat ovat sulkeutuneet, natrium-kalium-pumppu toimii tehokkaammin +K-ionien tuonnissa ja +Na-ionien johtamisessa. Tässä viimeisessä toipumisvaiheessa neuroni palaa normaaliin tilaansa -7 mV, kunnes tapahtuu uusi toimintapotentiaalin jakso. On erittäin mielenkiintoista tietää, että kaikki nämä toimintapotentiaalin vaiheet tapahtuvat jopa kahdessa millisekunnissa.