Am Anfang der sensorischen Informationsverarbeitung steht die Umwandlung eines Reizes in elektrische Signale. Diese Signale werden von spezialisierten Sinneszellen erzeugt und von Neuronen verarbeitet und weitergeleitet. Dabei verändert sich die Spannung über der Zellmembran, das sogenannte Ruhemembranpotenzial. Bei einer Hyperpolarisation wird das Zellinnere negativer, bei einer Depolarisation hingegen positiver. Verantwortlich für jede Änderung des Membranpotenzials ist die Diffusion von Ionen, also positiv oder negativ geladenen Teilchen, über die Zellmembran. Die wichtigsten Ionen sind Natrium (Na \(^+\) ), Kalium (K \(^+\) ), Calcium (Ca \(^{2+}\) ) und Chlorid (Cl \(^-\) ), die mithilfe selektiver Ionenkanäle die Zellmembran überqueren. Spannungsgesteuerte Ionenkanäle sind Transmembranproteine, die über einen Spannungssensor verfügen. Dieser Sensor wandelt eine Depolarisation der Membran in eine Konformationsänderung der porenbildenden Region des Proteins um und öffnet so den Ionenkanal. Das elektrochemische Gleichgewicht – die Kombination aus Konzentrationsgradient und elektrischer Spannung – bestimmt die Richtung der Diffusion von Ionen über die Membran. Aktionspotenziale verursachen eine kurzfristige Umkehr des Membranpotenzials. Sie werden durch die Aktivierung spannungsgesteuerter Natrium- und Kaliumkanäle hervorgerufen und dienen der Übertragung von Signalen entlang von Axonen über größere Entfernungen.