Trong sinh lý học, điện thế hoạt động là hiện tượng thay đổi điện thế màng tại một vị trí của tế bào đột ngột thi màng bị kích thích:[1] quá trình khử cực tại một điểm sẽ lan truyền đến các vị trí lân cận để tiếp tuc khử cực. Điện thế hoạt động xảy ra ở một số loại tế bào động vật, được gọi là tế bào kích thích, gồm neuron, tế bào cơ, tế bào nội tiết, tế bào cuộn mạch và trong một số tế bào thực vật.Trong neuron, điện thế hoạt động đóng vai trò trung tâm trong giao tiếp giữa các tế bào bằng cách lan truyền tín hiệu dọc theo sợi trục tới synapse nằm ở hai đầu sợi trục; những tín hiệu này sau đó có thể kết nối với các neuron khác tại synapse, hoặc với các tế bào tuyến hoặc tế bào vận động. Đối với các loại tế bào khác, chức năng chính của điện thế hoạt động là kích hoạt quá trình nội bào. Ví dụ, trong tế bào cơ, điện thế hoạt động là bước đầu tiên trong quá trình dẫn đến sự co cơ. Trong tế bào beta của tuyến tụy, hiện tượng này kích thích giải phóng insulin.[lower-alpha 1] Điện thế hoạt động ở neuron được gọi là " xung thần kinh " hoặc "gai" và chuỗi thời gian của các điện thế hoạt động được tạo ra bởi một neuron được gọi là "thời gian điện thế hoạt động". Hiện tượng neuron phát ra điện thế hoạt động hoặc xung thần kinh được gọi là hiện tượng "phóng".Điện thế hoạt động tạo ra nhờ các loại kênh ion điện thế đặc biệt xuyên trong màng sinh chất của tế bào.[lower-alpha 2] Các kênh này bị đóng khi điện thế màng gần điện thế nghỉ (màng ở trạng thái âm điện), nhưng chúng nhanh chóng mở ra nếu điện thế màng tăng đến điện thế ngưỡng (được định lượng chính xác) gọi là ngưỡng khử cực điện thế màng. Kênh mở cho phép dòng ion natri đi vào bên trong, làm thay đổi gradient điện hóa, khiến điện thế màng càng tăng, nhiều kênh mở ra hơn, tạo ra một dòng điện dương "quá đà" (overshoot) trên màng tế bào. Điện thế đạt đỉnh khi tất cả kênh ion có trên màng được mở, dẫn đến sự tăng vọt lớn về điện thế màng. Dòng ion natri nhanh chóng khiến sự phân cực màng đảo ngược và kênh ion Na+ nhanh chóng bị bất hoạt. Khi kênh natri đóng lại, ion natri không thể xâm nhập vào trong màng neuron, sau đó Na+ được vận chuyển tích cực ra khỏi màng sinh chất. Kênh kali được kích hoạt, đẩy ion kali đi ra ngoài, đưa gradient điện hóa trở về trạng thái nghỉ. Sau khi điện thế hoạt động đã xảy ra, có hiện tượng mựt trong màng âm hơn một chút so ới mặt ngoài, gọi là giai đoạn ưu phân cực.Trong tế bào động vật, có hai loại "mồi" cho điện thế hoạt động. Một loại "mồi" được tạo ra bởi kênh natri phụ thuộc điện thế, loại kia là kênh calci phụ thuộc điện thế. Điện thế hoạt động dựa trên natri thường kéo dài dưới một phần nghìn giây, nhưng điện thế hoạt động dựa trên calci có thể kéo dài trong 100 mili giây hoặc lâu hơn.[2] Trong một số loại neuron, kênh calci chậm khiến các kênh natri đẩy ion natri ra ngoài nhanh chóng. Mặt khác, trong tế bào cơ tim, một đợt kích hoạt natri một bùng nổ ban đầu tạo "mồi" để kích thích nhanh chóng mở kênh calci, dẫn đến sự co cơ.