**활동전위** 또는 **동작전위**(動作電位)는 근세포·신경세포 등 일부 세포의 막 전위가 일시적으로 크게 상승하는 현상을 가리킨다. 세포막에는 각종 이온 통로와 수송 단백질이 있어 나트륨·칼륨 등 이온의 농도가 안팎이 서로 다르다. 이온 조성의 차이로 말미암아 안정 상태에서 세포막 안쪽의 전위는 바깥쪽에 비해 보통 -60∼90 mV 정도 낮은데, 이 전위차를 휴지 전위라고 한다. 일부 흥분성 세포는 자극을 받거나 스스로 흥분하면 막 전위를 빠르게 역전시켜 순간적으로 휴지 전위보다 훨씬 높은 +30~40 mV에 이르도록 할 수 있다. 이것이 활동전위이다. 활동전위에 의한 막 전위 변동은 수 밀리초(ms) 정도만에 원래대로 회복되므로 스파이크 전위라고도 하며, 회복기에 보이는 느린 변화인 후전위(after potential)와 구별된다.

활동전위는 막 전위 값이 원래대로 돌아오면서 그대로 사라지는 것이 아니라, 주변으로 전파되어 새로운 활동전위가 만들어지도록 한다. 이에 따라 국소전류가 발생하여 1∼100 m/s의 속도로 흥분이 전달된다. 이를 율리우스 베른슈타인이 탈분극 현상으로 설명하였다. 이처럼 세포막 전체로 확산·전파되므로 활동전위는 세포 내 신호 전달에 활용될 수 있다.

활동전위는 신경세포와 일부 신경내분비세포, 근세포에서 전기적 신호를 전달하는 방법으로 사용된다. 끈끈이주걱·활수초 등 일부 식물 세포에서도 활동전위가 관찰된다.

활동전위는 크게 전압 개폐 나트륨 통로, 전압 개폐 칼륨 통로 및 다른 이온 채널에 의해 일어난다.

## 개관
동물, 식물, 균류의 세포막은 전위차(전압)를 유지하고, 이를 막 전위라 한다. 동물 세포의 전형적인 막전위차는 -65 mV로, 1 V의 약 15분의 1에 해당한다. 세포막은 매우 얇기 때문에 막전위차는 세포막 안팎에 강한 전기력을 준다.

대부분의 세포에서 전압은 일정한 편이지만 전기적으로 활동적인 세포는 전압이 변화한다. 전압은 특정한 경우에 매우 빠르게 오르락내리락하고, 그 형태는 정형화된 양식을 따른다. 이 변화 주기를 활동전위라 한다. 활동전위가 지속되는 시간은 넓은 범위에 걸쳐 변화하여 결과적으로 아날로그 신호에 속한다. 동물의 뇌세포에서 변화는 ms 단위로 일어난다. 기타 세포에서 변화 주기는 수 초에 걸쳐 일어날 수 있다.

동물세포의 전기적 특성은 막 구조에 의해 결정된다. 세포막은 단백질 분자가 박혀있는 지질층으로 이루어져 있다. 지질층은 전하를 띤 이온에 저항이 커서 부도체 기능을 한다. 반면에 막 단백질은 채널을 형성하여 이온이 막을 통과할 수 있게 한다. 몇몇 분자는 특정한 이온을 막 안팎으로 능동수송할 수 있다.

### 뉴런에서의 과정
동물의 신체 조직을 이루는 세포는 세포막 안팎으로 막 전위를 유지한다. 전기적 극성을 유지하는 것은 막에 박혀있는 이온 펌프와 이온 채널이다. 뉴런의 부분별로 막에 있는 이온 채널이 달라 가지돌기, 축삭, 세포체가 각각 전기적 특성이 다르다. 뉴런 어떤 부분의 막은 흥분성(활동전위를 생성할 수 있음)이고 어떤 부분은 그렇지 않다. 축삭 언덕 뒤부터 흥분성 부위라는 연구 결과가 있으나, 대부분의 사례에서는 세포체와 축삭 또한 흥분성이다.

흥분성 막 부분에서 중요한 막 전위는 세포에 아무런 동요가 없을 때 막 전위인 휴지 전위와 그보다 높은 값인 역치 전위이다. 전형적인 뉴런 축삭 언덕에서 휴지 전위는 -70 mV, 역치 전위는 -55 mV 내외이다. 뉴런에 시냅스 자극이 오면 막은 탈분극(막 전위가 상승)이나 과분극(감소)한다. 활동전위는 막이 충분히 탈분극하여 역치까지 도달하면 일어난다. 역치를 넘어 탈분극이 일어나면 막 전위는 급격히 상승(+100 mV까지 도달하기도 한다)하고, 다시 급격히 감소하여 휴지 전위 아래까지 떨어졌다가 일정 시간 유지한 후 휴지 전위로 돌아온다. 활동전위의 형태는 일정하게 고정되어 있다. 즉 어떤 세포에서 활동전위는 같은 크기와 시간 주기로 일어난다(예외적인 경우를 이후에 다룸). 대부분의 뉴런에서 활동전위 전체 과정은 천 분의 일 초 내에 일어난다. 여러 뉴런이 초당 최대 10-100회의 속도로 활동전위를 일정하게 내보낸다. 그렇지 않은 뉴런은 수 분 이상 아무런 활동전위를 발생하지 않기도 한다.

## 생물물리학적 기초
활동전위는 세포막에 있는 특별한 전압 개폐 이온 채널에 의해 일어난다. 전압 개폐 이온 채널은 막에 박혀있는 단백질 집단으로 세 가지 특성을 지닌다.

전압 개폐 이온 채널은 특정한 막 전위값에서 열리고 닫힌다. 대부분의 경우 막 전위와 채널 상태 사이의 관계는 확률론적이고 개폐에 시간차가 존재한다. 이온 채널은 입체형태를 예측할 수 없는 시각에 바꾼다. 막 전위는 전이 속도와 단위 시간당 각 입체형태일 확률을 결정한다.

전압 개폐 이온 채널은 양성 피드백 고리로 활동전위를 만들어낸다. 막 전위는 이온 채널의 상태를 통제하고 이온 채널은 막 전위를 통제한다. 따라서 특정 상황에서 막 전위가 올라가면 이온 채널이 열리고, 이로 인하여 막 전위가 더욱 상승한다. 활동전위는 양성 피드백 주기가 폭발적으로 진행될 때 일어난다. 활동전위의 시간과 크기 궤도는 활동전위를 생산하는 전압 개폐 이온 채널의 생물물리학적 특성이 결정한다. 다양한 채널이 활동 전위를 만들어내는 양성 피드백 기능을 한다. 전압 개폐 나트륨 채널은 신경 전도와 관련된 빠른 활동전위를 만든다. 근육 세포와 몇몇 뉴런에서 일어나는 느린 활동전위는 전압 개폐 칼슘 채널이 담당한다. 각각의 채널에는 전압 민감도와 시간에 따른 움직임이 다른 다수의 변형체가 존재한다.

가장 널리 연구되는 전압 의존성 이온 채널은 빠른 신경 전도에 관련된 나트륨 채널이다. 나트륨 채널과 활동전위의 생물물리학적 연구로 노벨상을 수상한 앨런 로이드 호지킨과 앤드루 헉슬리의 이름을 따 나트륨 채널을 호지킨-헉슬리 나트륨 채널이라고도 부르고, 더욱 단순하게는 Na 채널은 불활성형, 활성형, 차단형 등 세 가지 상태로 존재할 수 있다. 채널은 활성형 상태일 때 나트륨 이온에 대해서만 투과성이 있다. 막 전위가 낮을 때 채널은 대부분의 시간 동안 불활성형으로 존재한다. 막 전위가 특정 수준 이상으로 올라가면 채널이 활성형으로 전이될 확률이 증가하고, 막 전위가 높을수록 확률은 더 커진다. 채널이 활성화되고 나면 차단형으로 변화하고, 그 상태로 일정 시간 유지된다. 막 전위가 다시 낮아지면 채널은 불활성형으로 돌아간다. 결론적으로 활동전위 동안 채널이 거치는 주기는 불활성형 → 활성형 → 차단형 → 불활성형 순이다. 이 순서는 채널 전체를 기준으로 평균적인 행동이고, 이론적으로 각각의 채널은 한 시점에서 전이 상태가 모두 다를 수 있다. 다만 채널이 차단형에서 곧바로 활성형으로 바뀌는 것은 거의 일어나지 않는다. 차단형에 있는 채널은 불활성형으로 되돌아갈 때까지 불응기를 거친다.

이러한 Na|group="note"}} 세포의 활동전위가 발생하는 빈도를 **발화율**이라 한다.

전압 개폐 채널을 열어서 생기는 이온의 흐름은 대개 활동전위를 만드는 초기 흐름보다 크다. 따라서 활동전위의 크기와 지속 시간, 형태는 자극의 크기나 지속 시간이 아니라 흥분하는 막의 특성에 대부분 의존한다. 이러한 실무율 특성은 수용기 전위, 전기긴장성 전위, 시냅스 전위 등 자극의 세기에 따라 증감하는 다단계 전위와 구별된다. 활동전위는 전위 개폐 채널과 유출 채널의 종류, 채널 분포, 이온 농도, 막 전기 용량, 온도 및 기타 요소에 따라 다양하다.

활동전위에 관여하는 주요 이온은 나트륨과 칼륨 양이온이다. 나트륨 이온은 세포 안으로, 칼륨 이온은 세포 밖으로 이동하여 평형을 유지한다. 상대적으로 적은 이온 이동만으로도 막 전위를 극적으로 변화시킬 수 있다. 따라서 활동전위 동안 이온 교환으로 변하는 막 안팎의 이온 농도는 무시할 수 있다. 막을 건너는 이온 중 소수는 다른 이온 수송체와 함께 정상 이온 농도비를 유지하는 나트륨-칼륨 펌프에 의하여 다시 되돌아간다. 칼슘 양이온과 염소 음이온은 심장 활동전위와 단세포 조류 ''Acetabularia''의 활동전위 등 소수의 활동전위 유형과 연관이 있다.

활동전위는 막의 흥분성 부분에서 국소적으로 만들어지지만, 휴지 상태의 이온 흐름도 인접한 막의 연장선에서 활동전위를 유발하고 도미노처럼 퍼지게 할 수 있다. 수동적으로 퍼지는 전기긴장성 전위와 반대로, 활동전위는 흥분이 막을 따라 뻗어가면서 계속 새로 만들어지고, 감소하지 않는다. 이 현상은 돌기-시기 의존성 가소성에 영향을 미치는 것으로 추정된다.

## 신경전달

### 뉴런 해부학
활동전위를 갖는 세포로는 식물 세포, 근육 세포, 심장의 일부 특수한 세포(심장 활동전위가 일어나는 세포) 등이 있지만, 주요 흥분성 세포는 뉴런이다. 뉴런은 가장 간단한 활동전위 기작을 가진다.

뉴런은 전기적으로 흥분하는 세포로 대개는 한 개 이상의 가지돌기를 가지고 있고, 단일 세포체와 축삭, 하나 이상의 축삭 말단으로 이루어져 있다. 가지돌기는 세포에서 뻗어나온 돌기이고, 일차적으로는 시냅스 신호를 받는 역할을 한다. 가지돌기에서 돌출된 가시는 시냅스전 뉴런에서 방출되는 신경전달물질을 포착할 수 있게 되어 있다. 가시에는 리간드 개폐 이온 채널이 많다. 가시는 가느다란 '목'으로 망울 형태의 돌출부에 연결된다. 이런 구조적 특성으로 인하여 가시 안에서 일어나는 변화가 이웃한 가시에 영향을 줄 확률이 줄어든다. 극소의 예외(장기 강화)는 있지만, 가지돌기의 가시는 독립적인 단위로 행동한다. 가지돌기는 세포핵이 있는 세포체와 대부분의 세포소기관에서 멀리 뻗어나온 형태이다. 세포체의 표면에는 가시와 달리 전압 활성 이온 채널이 많이 있다. 이 채널은 가지돌기에서 만들어진 신호를 전달하는 것을 돕는다. 세포체에서 축삭으로 나오는 부분이 축삭 언덕이다. 축삭 언덕은 전압 활성 나트륨 채널이 밀집되어 있는 것이 특징이다. 일반적으로 축삭 언덕을 활동전위가 급등하여 시작되는 영역으로 간주한다. 가시에서 생성되고 세포체로 전달된 신호는 모두 축삭 언덕으로 모인다. 축삭 언덕에서 곧장 이어진 부분이 축삭이다. 축삭은 관 형태로 세포체에서 길게 뻗어 있고, 미엘린 수초로 절연되어 있다. 미엘린은 신경아교세포의 일종인 슈반 세포(말초신경계의 경우)나 희소돌기아교세포(중추신경계)로 이루어져 있다. 신경아교세포는 전기적 신호 전달에 관여하지 않지만, 서로 소통하여 뉴런에 중요한 생화학적 도움을 준다. 미엘린은 축삭 분절을 여러번 감싸 두꺼운 지방층을 형성하고 이온이 축삭으로 들어오거나 축삭을 빠져나가는 것을 막는다(절연). 절연을 통하여 신호가 감소하지 않고 전달 속도를 유지할 수 있지만, 절연 부위에는 채널이 존재할 수 없다. 축삭의 막에는 일정한 간격으로 절연되지 않은 부위, 랑비에결절이 있다. 랑비에결절은 일종의 축삭 언덕처럼 작용하여 신호가 감소하지 않도록 증폭시킨다. 축삭의 끝부분은 절연이 벗겨지고 여러 갈래로 나뉘어 축삭 말단을 형성한다. 이들이 시냅스전 말단 혹은 시냅스 단추로, 신경전달물질이 든 작은 막 구조물인 시냅스 소포가 여기 존재한다.

### 개시
활동전위가 시작되기 위해서는 축삭 언덕에서 막전위가 역치보다 증가하여야 한다. 탈분극이 일어나는 데에는 여러 방법이 있다.

### 동역학
활동전위는 일반적으로 시냅스전 뉴런에서 온 흥분성 시냅스후 전위에 의해서 시작된다. 신경전달물질 분자는 시냅스전 뉴런에서 방출되어 시냅스후 세포의 수용체에 결합하고, 그 결과 다양한 이온 채널이 열린다. 이온 채널이 열리면 세포막 투과성이 국소적으로 변화하고 따라서 막 전위가 변한다. 신경전달물질이 수용체에 결합하여 전압을 증가시키면(막이 탈분극) 시냅스는 흥분한다. 반대로 전압을 감소시키면(막이 과분극) 시냅스는 억제된다. 전압의 변화는 케이블 방정식이 설명하는 바와 같이 수동적으로 인접한 막 영역으로 전파된다. 전압 자극은 시냅스와의 거리 및 신경전달물질이 결합하는 시간에 따라 지수적으로 감소한다. 대개는 흥분성 전압의 일부만 축삭 언덕에 닿고 막을 탈분극시켜 드물게 새로운 활동전위를 일으킨다. 가장 일반적으로는 여러 시냅스에서 온 흥분성 전위가 거의 동시에 함께 작용하여 새로운 활동전위를 일으키고, 억제성 시냅스후 전위는 반대작용을 하여 활동전위가 생성되는 것을 방해한다.

신경전달은 전기적 시냅스 사이에서도 일어난다. 세포 사이에 흐르는 자유로운 이온을 통하여 화합물이 관여하지 않고 빠른 전달이 가능하다. 흥분성 세포가 틈새이음을 통하여 직접 연결되어 있기 때문에 활동전위는 세포 사이에 양방향으로 직접 전달된다. 정류 시냅스라는 일부 전기적 시냅스에서는 활동전위가 한 방향으로만 이동한다.)이라고 한다. 활동전위의 빈도는 자극의 세기와 관련이 있다. 이와 대조적으로, 수용기 전위의 경우 전위 크기가 자극의 세기에 의존한다.

### 감각 뉴런
감각 뉴런의 외부 신호는 압력, 온도, 빛, 소리이다. 외부 신호는 이온 채널을 여닫아 이온에 대한 막의 투과성과 막 전위를 변화시킨다. 전압 변화는 흥분성(탈분극) 혹은 억제성(과분극)으로, 두 전위의 합에 따라 축삭 언덕을 탈분극시켜 활동전위를 일으킨다. 이렇게 활동전위를 일으키는 감각 뉴런의 예로 사람의 후각 수용기(후각)와 마이스너 소체(촉각)가 있다. 모든 감각 뉴런이 외부 신호를 활동전위로 전환하는 것은 아니다. 외부 신호를 받으면 신경전달물질을 방출하거나 연속적인 차등 전위를 통하여 다음 뉴런에 전달하고, 그 뉴런이 활동전위를 생성한다. 사람의 귀에 있는 털세포는 소리 신호가 오면 기계 개폐 이온 채널을 여닫아서 신경전달물질을 방출한다. 사람의 망막에 있는 빛수용기 세포와 그 다음 층을 이루는 두극세포, 수평세포는 활동전위를 생성하지 않는다. 아마크린 세포 일부와 망막 신경절세포가 있는 제3층에서는 활동전위를 생성하고, 전위가 시신경으로 이동한다.

### 박동조율기 전위
감각 뉴런처럼 외부 자극에 대하여 활동전위를 일으키는 것과는 달리, 아무런 자극 없이 발화하는 흥분성 세포가 있다. 이들은 규칙적인 속도로 축삭 언덕에서 자발적으로 탈분극하여 시계처럼 작용한다. 이 세포의 전압 변화를 박동조율기 전위라고 한다. 심장의 굴심방결절에 있는 심장 박동조율기 세포가 이에 속한다. 박동조율기 전위는 자연적인 리듬을 가지고 있지만 외부 자극에 의해 조절될 수도 있다. 예를 들어 심박수는 약물이나 교감 및 부교감신경에 의해 변화한다. 외부 자극은 세포가 반복적으로 발화하도록 하는 것이 아니라 자연적으로 발화하는 시간을 조절한다. 발화 빈도는 복잡하게 조절되고, 돌발적인 활동전위 패턴(bursting)을 만들기도 한다.

## 활동전위의 각 시기
활동전위 시기는 다섯 부분, 즉 상승기, 최고기, 하강기, 후기 과분극기( 혹은 ), 불응기로 나뉜다. 상승기에는 막 전위가 +쪽으로 이동하여 탈분극된다. 탈분극이 멈추는 지점을 최고기라고 한다. 이 단계에서 막 전위는 최고에 달한다. 이어지는 시기가 하강기로, 막 전위가 -쪽으로 이동하여 휴지 전위에 근접한다. 후기 과분극기는 막 전위가 일시적으로 휴지 전위보다 낮은 시기이다. 마지막으로 다음 활동전위가 발화할 수 없는, 혹은 발화하기 힘든 시기인 불응기가 이어진다. 불응기는 다른 시기와 겹칠 수 있다.

활동전위 과정은 두 개의 짝지은 에 의해 결정된다. 첫째, 전압 민감성 이온 채널이 막 전위 ''V''이 갑자기 상승하면 나트륨 채널은 초기에는 열리지만, 느린 불활성화에 의해 결국 닫히게 된다.

활동전위의 전압과 전류에 대한 정확한 모형은 앨런 로이드 호지킨과 앤드루 헉슬리가 1952년에 만들었고,

### 자극과 상승기
활동전위는 자극이 ''V''을 증가시켜 충분히 강한 탈분극이 있을 때 축삭 언덕에서 시작한다. 세포에 나트륨 양이온이 유입되면 탈분극이 일어난다. 나트륨 양이온은 화학적 시냅스, 감각 뉴런, 박동조율기 전위 등 다양한 곳에서 온다.

휴지기에 있는 뉴런의 세포외액에는 나트륨과 염소 이온 농도가 높고, 세포내액에는 칼륨 이온 농도가 높다. 막 안팎의 이온 농도 기울기와 막에 있는 칼륨 누출 채널은 칼륨 이온이 세포 밖으로 빠져나가게 하여 휴지 전위 ''E''''과 나트륨 투과성이 가파르게 증가하는 이 시기가 활동전위의 상승기에 해당한다.

양성 피드백(또는 )이 일어나는 임계 역치 전압은 -45 mV 전후이지만, 축삭의 활성 상태에 따라 달라진다. 갓 발화한 막은 이온 채널이 불활성형으로 돌아올 때까지 다른 활동전위를 만들 수 없다. 이 시기가 절대적 불응기이다. 절대적 불응기가 지나고 몇몇 이온 채널은 불활성형으로 회복되면 축삭은 다른 활동전위를 생성할 수 있지만, 역치가 더 높아져 더욱 강력한 탈분극(예컨대 -30 mV)이 필요하다. 이례적으로 활동전위가 만들어지기 어려운 이 시기를 상대적 불응기라 한다.

### 최고점 및 하강기
상승기의 양성 피드백은 나트륨 이온 채널이 최대로 열리면서 점차 느려져 정지한다. 활동전위의 최고점에서 나트륨 투과성은 최대가 되고 막 전압 ''V''을 빠르게 떨어뜨리고 막은 재분극되면서 활동전위는 하강기에 접어든다.

### 후기 과분극
올라간 전압은 칼륨 채널을 평소보다 더 많이 열고, 칼륨 채널 중 일부는 막이 평소의 휴지 전압으로 돌아가도 곧바로 닫히지 않는다. 또한 활동전위 동안 유입된 칼슘 이온에 반응하여 SK 채널이 추가적으로 열린다. 칼륨의 투과성은 일시적으로 매우 높아지고 막 전위 V에 더욱 가까워진다. 이로 인하여 과분극이 일어나고 이를 후기 과분극( 혹은 )이라 한다. 칼륨 투과성이 원래 값으로 회복되면 정상 휴지 전위값으로 돌아온다.

### 불응기
활동전위에는 매번 불응기가 따른다. 불응기는 새로운 활동전위가 전혀 일어나지 못하는 절대적 불응기와 평소보다 강한 자극이 필요한 상대적 불응기로 나뉜다. 불응기는 나트륨과 칼륨 채널 분자의 상태 변화로 인하여 생긴다. 활동전위가 끝날 때 나트륨 채널은 차단형이 되면서 닫힌다. 차단형 나트륨 채널은 막 전위에 관계없이 열릴 수 없는 상태로 이 시기가 **절대적 불응기**에 해당한다. 충분히 많은 나트륨 채널이 휴지 상태로 전이한 뒤에도 칼륨 채널 중 일부는 여전히 열려 있어 막 전위가 탈분극되기 어렵다. 이 시기가 **상대적 불응기**에 해당한다. 칼륨 채널의 밀도와 아형은 뉴런 종류에 따라 크게 다르기 때문에 상대적 불응기 지속 시간도 차이가 크다.

절대적 불응기가 있어서 활동전위는 축삭을 따라 한 방향으로만 전파된다. 어떤 특정한 순간에 활동전위가 치솟는 부분 바로 뒤의 축삭은 불응기이고, 앞쪽은 활동전위를 일으킨 적이 없어서 불응기에 있지 않기 때문에 탈분극에 의해 활성화될 수 있다.

## 전도
활동전위는 축삭 언덕에서 생성되어 축삭을 따라 파동처럼 전파된다. 활동전위 동안 축삭의 한 지점에서 들어오는 이온 흐름은 축삭을 따라 퍼지면서 인접한 막을 탈분극 시킨다. 탈분극이 충분히 강하면 이웃 막 부분에서도 활동전위를 일으킨다. 활동전위가 퍼지는 기초적인 기작은 앨런 로이드 호지킨이 1937년에 증명한다. 신경 절편을 부수거나 냉각시켜 활동전위를 차단한 뒤에, 차단 분절이 충분이 짧으면 차단 부위 한 쪽에 도달한 활동전위가 반대편에서 활동전위를 일으킬 수 있다는 것을 보였다.

막 일부에서 활동전위가 일어나면 다시 발화하기 전에 막이 회복되는 시간이 필요하다(불응기). 분자 수준에서 절대적 불응기는 전압 활성 나트륨 채널이 차단형에서 회복되어 닫힌형(불활성형)으로 돌아오는데 드는 시간에 해당한다. 뉴런에는 다양한 전압 활성 칼륨 채널이 존재한다. 몇몇은 빨리 차단형으로 전이되고, 몇몇은 천천히 차단형으로 전이되거나 아예 전이되지 않는다. 이런 다양성으로 인하여 칼륨 채널 일부가 탈분극이 진행되면서 차단형이 되어도 항상 막이 재분극될 수 있는 칼륨 이온 흐름이 존재한다. 반면에 뉴런에 있는 모든 전압 활성 나트륨 채널은 강한 탈분극이 일어나고 수 ms 이내에 차단형으로 전이된다. 나트륨 채널 상당수가 불활성형으로 돌아오기 전에는 다시 탈분극할 수 없다. 절대적 불응기는 발화 빈도를 제한하지만 축삭을 따라 활동전위가 한 방향으로만 전달되게 한다. 본래 활동전위에서 이온 흐름은 양방향으로 전파된다. 그러나 이미 발화되지 않은 축삭만이 활동전위에 반응할 수 있고, 갓 발화한 부분은 활동전위가 확실하게 그 범위를 벗어나서 그 부분을 다시 자극할 수 없을 때까지 반응하지 않는다. 활동전위가 축삭 언덕에서 축삭 말단의 시냅스 단추로 전파되는 순방향성 전도가 일반적이며, 반대 방향으로 전파되는 역방향성 전도는 매우 드물다. 실험실에서 인위적으로 축삭 가운데 지점을 자극하면 축삭의 양쪽 반이 모두 발화하지 않은 상태이므로 활동전위는 양방향으로 생성되어 하나는 축삭 언덕으로, 다른 하나는 시냅스 단추를 향하여 진행한다.

### 수초 및 도약 전도
신경계에서 전기 신호를 빠르고 효율적으로 전달하기 위한 장치가 특정 뉴런에 있는 미엘린 수초이다. 미엘린은 여러 층으로 된 막으로 중간중간 랑비에결절이라는 부분을 제외하고 축삭을 감싼다. 미엘린은 특수한 세포에서 생산된다. 말초신경계에서는 슈반 세포가, 중추신경계에서는 희소돌기아교세포가 그 역할을 담당한다. 미엘린 수초는 막 전기 용량을 감소시키고 랑비에결절 사이의 저항을 증가시켜서 활동전위가 결절에서 결절로 빠르게 도약하도록 한다. 척추동물의 모든 뉴런이 수초를 가지지는 않는다. 자율신경계를 구성하는 뉴런의 축삭은 일반적으로 수초가 없다.

미엘린은 이온이 축삭으로 들어오거나 빠져 나가는 것을 막는다. 수초가 있는 뉴런은 일반적으로 전도가 빠르고 에너지 측면에서 효율적이다. 도약 전도와 관계없이 활동전위의 평균 신경 전달 속도는 1 m/s에서 100&nbsp;m/s 이상으로, 일반적으로는 축삭 지름이 커질수록 속도도 증가한다.

활동전위는 수초가 있는 축삭 분절의 막에는 퍼질 수 없다. 랑비에결절 한두 개를 탈분극시킬 수 있는 이온 흐름은 세포질을 타고 이동한다. 한 결절에서 활동전위를 일으킨 흐름은 다음 결절에서도 활동전위를 일으킨다. 이렇게 결절에서 결절로 활동전위가 "깡총깡총" 이동하는 것을 도약 전도라 한다. 도약전도 기작은 1925년 랄프 릴리가 제안하였으나,가 처음 제시하였다. 수초가 없는 축삭에서 활동전위는 바로 인접한 막을 탈분극시키고 축삭을 따라 파동처럼 이동한다.

수초가 있는 축삭은 보다 빠르게 전도할 수 있고 에너지 효율이 좋다는 장점이 있다. 최소 지름(약 1 μm)보다 큰 축삭은 수초가 많을수록 활동전위의 전도 속도가 약 10배 증가한다. 이 효과는 자연선택에서 중요한 장점으로 작용한다.

축삭의 수초가 있는 분절의 길이는 도약 전도에 중요한 요소이다. 전도의 속도를 극대화할 수 있는 만큼 길어야 하고 그렇다고 다음 랑비에결절에서 활동전위를 일으키지 못할 정도로 신호가 약해져서는 안 된다. 자연계에 존재하는 수초 분절은 수동적으로 전파된 신호가 최소 두 개 결절까지 이동할 수 있는 길이로, 두세 번째 랑비에결절에서 활동전위를 일으킬 수 있는 충분한 강도가 유지된다. 따라서 결절이 일부 손상되었을 경우에도 신호 전달을 계속할 만큼 도약 전도의 안전 계수는 높다. 다만 수초가 없는 뉴런이라 하더라도 활동전위는 안전 계수가 낮은 일부 지점에서 일찍 사라질 수 있다. 축삭이 가지를 형성하여 두 개로 갈라지는 부분을 예로 들 수 있다.

미엘린 수초가 분해되어 도약 전도 능률이 떨어지고 활동전위 전도 속도가 감소하는 질병으로 가장 잘 알려진 것은 다발성 경화증이 있다. 수초가 분해되어 협동적인 운동 능력이 떨어진다.

### 케이블 이론
축삭 내부에서 이온 흐름은 케이블 이론

''V''는 어떤 시점 ''t''와 뉴런 길이 방향의 어떤 위치 ''x''에서 막 안팎의 전압이고, λ와 τ는 자극에 반응하여 전압이 감쇠하는 특징적인 길이와 시간 크기를 나타낸다. 시간과 길이는 단위 길이당 저항과 전기 용량에서 결정된다.

\tau =\ r_{m} c_{m} \,

산출한 시간과 길이의 크기는 수초가 없는 신경 섬유의 경우에 전도 속도가 지름에 의존하는 정도를 이해하는데 쓰인다. 예를 들어, 시간 크기인 τ는 막 저항 ''r''이 증가하면 막을 통해 유출되는 평균 흐름이 감소하고 마찬가지로 λ가 길어져 전도 속도가 증가한다.

## 종말

### 화학적 시냅스
일반적으로 시냅스 단추에 활동전위가 닿으면 시냅스 틈으로 신경전달물질을 방출한다.

### 전기적 시냅스
전기적 시냅스에는 신경전달물질을 분배하고 시냅스 전후 세포를 한데 연결하는 분자인 코넥손이 있다. 시냅스전 활동전위의 이온 흐름은 직접적으로 시냅스후 세포를 자극한다. 전기적 시냅스는 신경전달물질이 시냅스 틈을 가로질러 확산되는 과정을 거치지 않기 때문에 신호 전달이 더 빠르다. 도망 반사, 척추동물의 망막, 심장 등 빠른 반응과 시간적 동기화가 중요한 연결에는 전기적 시냅스가 쓰인다.

### 신경근육 이음
신경근육 이음부는 특수한 화학적 시냅스로, 운동뉴런의 축삭이 근섬유에서 끝난다. 아세틸콜린에스터레이스를 불활성화하여 이러한 통제를 막는 독소이다.

## 기타 세포 유형

### 심장 활동전위
심장 활동전위는 신경 활동전위와 다르다. 심장 활동전위에는 막 전압이 높게 수백 ms 동안 유지되는 구간이 있고 칼륨 흐름에 의해 재분극이 되는 일반적인 시기가 뒤따른다. 전압 유지기는 나트륨 채널이 차단형으로 전환된 후에도 느린 칼슘 채널이 열려있어 막 전위가 칼슘 평형 전위 근처에서 지속되기 때문에 발생한다.

심장 활동전위는 심장이 정확하게 수축하는데 중요한 기능을 한다.

### 근육 활동전위
정상적인 골격근 세포에서 활동전위는 신경의 활동전위와 유사하다. 활동전위는 세포막이 탈분극하면서 생성되어 전압 민감성 나트륨 채널을 연다. 나트륨 채널이 차단형으로 전환되면 막은 세포 밖으로 유출되는 칼륨 이온에 의해서 재분극된다. 휴지 전위는 약 -90 mV로, 일반적인 뉴런보다 더 낮다. 근육 활동전위는 2 - 4 ms간 지속되고 절대적 불응기는 1 - 3 ms이며, 근육 내 전도 속도는 5&nbsp;m/s 정도이다. 활동전위는 칼슘 이온을 방출하여 트로포마이오신을 이동시키고 근육이 수축하도록 한다. 신경근육 이음부에 뉴런의 활동전위가 도달하면 근육 활동전위가 발생한다. 신경근육 이음부는 흔히 신경독소의 표적이 된다.

### 식물 활동전위
식물과 진균류 미모사(''mimosa pudica'') 같은 특정 관다발식물에서 활동전위가 하는 신호 기능은 후생동물의 흥분성 세포와는 독립적으로 진화하였을 것이다.

## 분류와 진화적 이점
식물, 곤충 같은 무척추동물, 파충류와 포유류 등 척추동물을 포함하여 다세포생물에 널리 활동전위가 존재한다. 활동전위의 크기 및 지속 시간과 마찬가지로 휴지전위는 진화를 거치면서 크게 변화하지 않았다. 전도 속도는 반면에 축삭 지름과 미엘린 수초 형성을 통하여 크게 증가하였다.

활동전위가 진화를 통해 보존된 것으로 미루어 보아 활동전위에는 진화 상의 이점이 있을 것이다. 활동전위는 빠르고, 생물체 내에서 먼 거리에 걸쳐 신호를 전달하는 기능을 한다. 전도 속도는 음속의 삼 분의 일인 110 m/s를 초과하는 경우도 있다. 혈류를 흐르는 호르몬 분자는 큰 동맥에서 대략 8 m/s의 속도로 움직이며, 심장 수축 등 기계적 요소와 밀접한 관련이 있다. 활동전위의 두 번째 이점은 활동전위가 생성되는 방법이다. 활동전위는 실무율 특성을 가진 신호이기 때문에 거리에 따라 신호 강도가 감소하지 않고, 디지털 전자공학과 유사한 이점을 지닌다. 가지돌기에서 온 다양한 신호가 축삭 언덕에서 통합되어 역치를 넘어 복잡한 활동전위를 생성하는 것은 연산의 또 다른 형태로, 생물학적 중추 패턴 발생기를 형성하고 인공적으로는 신경망에서 모방된다.

## 실험 방법
활동전위 연구에는 새로운 실험적 기술이 필요했다. 1955년 이전에 초기 연구는 세 가지 목표, 즉 단일 뉴런이나 축삭의 신호를 분리하는 것, 빠르고 민감한 전자 장치를 개발하는 것, 단일 세포 내부의 전압을 기록할 수 있을 정도로 전극을 작게 줄이는 것에 초점을 맞추었다.

첫 번째 목표는 오징어의 한 속인 ''Loligo''의 뉴런에 있는 거대 축삭을 연구하여 해결하였다. 그러나 ''Loligo''의 축삭은 모든 흥분성 세포를 대표할 만한 세포는 아니고, 활동전위와 관련된 수많은 다른 장치가 연구되었다.

두 번째 문제는 결정적으로 전압 클램프가 개발되어 해결되었다.''을 고정값에 유지하기 위해 필요한 전류가 막 안팎으로 흐르는 전류를 그대로 반영한다. 패러데이 새장이나 고입력 임피던스(input impedance)를 가진 전기 장치를 포함한 기타 전자공학적 진전으로 측정 자체로 인하여 전압에 미치는 영향을 없앴다.

세 번째 문제, 즉 단일 축삭 내의 전압을 기록하면서 교란을 일으키지 않을 정도로 작은 전극을 얻는 문제는 1949년 유리 마이크로피펫 전극을 발명하여 해결하였다. 전극을 개선하여 끝이 100 Å(10 nm)에 불과한, 마찬가지로 고입력 임피던스를 주는 전극을 생산하였다.

유리 마이크로피펫 전극은 이온 채널 여러 개를 지나는 전류의 합을 측정하지만, 1970년대에 에르빈 네어와 베르트 자크만이 패치 클램프를 고안하면서 단일 이온 채널의 전기적인 특성을 연구할 수 있게 되었다. 네어와 자크만은 이 공로로 1991년 노벨 생리학·의학상을 수상한다. 패치 클램프 방법을 통하여 이온 채널이 열린형, 닫힌형, 차단형으로 구별되는 전도 상태를 거친다는 것이 확인되었다.

광학 영상 기술은 활동전위를 동시에 여러 군데에서나 초공간적인 해상도로 기록하기 위하여 최근에 발전한 기술이다. 심근세포 막의 아주 작은 일부에서 전압 민감성 염료(voltage-sensitive dye)를 이용하여 광학적으로 활동전위를 기록한 바 있다.

## 신경독소
신경독소는 활동전위를 차단하는 물질로, 자연계에 존재하기도 하고 합성되기도 한다. 복어의 테트로도톡신과 와편모충류에 속하는 적조 ''Gonyaulax''속의 색시톡신은 전압 민감성 나트륨 채널을 저해하여 활동전위를 차단한다.
아프리카산 독사 맘바의 덴드로톡신도 전압 민감성 칼륨 채널을 차단한다. 이온 채널의 저해제는 특정한 이온 채널을 차단하여 다른 채널의 역할을 따로 연구하는 데에 쓰인다. 이온 채널을 친화성 크로마토그래피로 분리 정제할 때에도 유용하다. 저해제는 효과적인 신경독소로 작용할 수도 있어 화학 무기로 쓰일 가능성이 있다. 곤충의 이온 채널을 표적으로 삼는 신경독소는 효율적인 살충제이다. 합성 퍼메트린은 활동전위에 관여하는 나트륨 채널의 활성을 연장시킨다. 곤충의 이온 채널은 사람의 것과 충분히 다르기 때문에 사람에게 부작용은 거의 없다. 다른 신경독소 중에는 시냅스, 특히 신경근 접합부에서 활동전위가 전달되는 것을 방해하는 것도 있다.

## 역사
동물 신경계의 전기 활성은 1791년에서 1797년 사이 루이지 갈바니가 개구리를 해부하면서 처음으로 관찰하였다.

19세기 과학자들은 신경 다발에서 일어나는 전기 신호 전파를 연구하고 신경 조직이 서로 연결된 관으로 된 망이 아니라 세포로 이루어져 있다는 것을 증명하였다. 카를로 마테우치가 갈바니의 뒤를 이어 세포막 안팎으로 전압이 형성되어 있으며 직류 전류를 생산할 수 있다는 것을 증명하였다. 마테우치의 작업은 독일의 생리학자인 에밀 뒤 부아레몽(Emil du Bois-Reymond)에게 영감을 주었고, 그는 1848년 활동전위를 발견한다. 활동전위의 전도 속도는 1850년 뒤 부아레몽의 친구인 헤르만 폰 헬름홀츠가 처음 측정하였다. 신경조직이 개개의 세포로 형성되어 있다는 것을 증명하기 위하여 스페인 의사 산티아고 라몬 이 카할은 카밀로 골지가 발명한 염색법을 이용하여 뉴런의 수많은 형태를 밝혔다. 골지와 라몬 이 카할은 그 공로로 1906년 노벨 생리학·의학상을 수상하였다. 그들의 연구는 19세기 신경해부학 분야의 오랜 논쟁을 종식시켰다. 특히 골지는 신경계가 신경망으로 구성되어 있다고 주장하였다.

20세기는 전기생리학의 황금기였다. 1902년과 1912년에 율리우스 베른슈타인은 축삭 막에서 이온의 투과성이 변한 결과 활동전위가 생긴다는 가설을 발전시켰다. 이해하기 시작한다.

율리우스 베른슈타인은 막 안팎의 휴지전위에 네른스트 식을 처음으로 적용하였고, 데이비드 E. 골드만이 1943년에 골드만 방정식을 통하여 일반화하였다.

## 양적 모델
활동전위를 이해하는 데에는 수학적 및 계산적 모델이 필수적으로, 실험적 자료에 대하여 검증할 수 있는 예측값을 제시하여 이론에 대한 정밀한 측정을 가능케 한다. 가장 정확하고 중요한 위치를 차지하고 있는 모델은 호지킨-헉슬리 모델로, 활동전위를 네 개의 상미분 방정식으로 설명한다.