Axonhügel
Beide, inhibitorische postsynaptische Potenziale (IPSPs) und exzitatorische postsynaptische Potenziale (EPSPs), werden im Axonhügel summiert, und sobald eine Auslöseschwelle überschritten wird, breitet sich ein Aktionspotenzial durch den Rest des Axons aus (und „rückwärts“ zu den Dendriten, wie bei der neuronalen Rückwärtsausbreitung). Die Auslösung ist auf eine positive Rückkopplung zwischen stark überfüllten spannungsabhängigen Natriumkanälen zurückzuführen, die in der kritischen Dichte am Axonhügel (und an den Ranvier-Knoten), nicht aber im Soma vorhanden sind.
Im Ruhezustand ist ein Neuron polarisiert, wobei sein Inneres bei etwa -70 mV relativ zu seiner Umgebung liegt. Wenn ein exzitatorischer Neurotransmitter vom präsynaptischen Neuron freigesetzt wird und an die postsynaptischen dendritischen Stacheln bindet, öffnen sich ligandengesteuerte Ionenkanäle und lassen Natriumionen in die Zelle eindringen. Dies kann dazu führen, dass die postsynaptische Membran depolarisiert (weniger negativ) wird. Diese Depolarisation breitet sich in Richtung des Axonhügels aus, wobei sie mit der Zeit und der Entfernung exponentiell abnimmt. Treten mehrere solcher Ereignisse in kurzer Zeit auf, kann der Axonhügel so stark depolarisiert werden, dass sich die spannungsgesteuerten Natriumkanäle öffnen. Dadurch wird ein Aktionspotenzial ausgelöst, das sich dann das Axon hinunter ausbreitet.
Wenn Natrium in die Zelle eindringt, wird das Zellmembranpotenzial positiver, wodurch noch mehr Natriumkanäle in der Membran aktiviert werden. Der Natriumeinstrom überholt schließlich den Kaliumausstrom (über die Zwei-Poren-Domänen-Kaliumkanäle oder Leckkanäle) und löst eine positive Rückkopplungsschleife aus (Anstiegsphase). Bei etwa +40 mV beginnen sich die spannungsgesteuerten Natriumkanäle zu schließen (Peak-Phase) und die spannungsgesteuerten Kaliumkanäle beginnen sich zu öffnen, wodurch Kalium den elektrochemischen Gradienten hinunter und aus der Zelle heraus bewegt wird (Fallphase).
Die Kaliumkanäle reagieren verzögert auf die Membranrepolarisation, und selbst nach Erreichen des Ruhepotentials fließt weiterhin etwas Kalium aus, was zu einer intrazellulären Flüssigkeit führt, die negativer ist als das Ruhepotential, und während der kein Aktionspotential entstehen kann (Unterschwingungsphase/Refraktärzeit). Diese Unterschwingungsphase sorgt dafür, dass sich das Aktionspotenzial das Axon hinunter und nicht wieder hinauf ausbreitet.
Wenn dieses erste Aktionspotenzial vor allem am Axonhügel ausgelöst wird, breitet es sich die Länge des Axons hinunter aus. Unter normalen Bedingungen würde das Aktionspotenzial aufgrund der porösen Beschaffenheit der Zellmembran sehr schnell abklingen. Um eine schnellere und effizientere Ausbreitung des Aktionspotenzials zu gewährleisten, wird das Axon myelinisiert. Myelin, ein Derivat des Cholesterins, wirkt wie eine isolierende Hülle und sorgt dafür, dass das Signal nicht durch die Ionen- oder Leckkanäle entweichen kann. Dennoch gibt es Lücken in der Isolierung (Ranvier-Knoten), die die Signalstärke erhöhen. Wenn das Aktionspotenzial einen Ranvier-Knoten erreicht, depolarisiert es die Zellmembran. Wenn die Zellmembran depolarisiert ist, öffnen sich die spannungsgesteuerten Natriumkanäle und Natrium strömt ein, wodurch ein neues Aktionspotenzial ausgelöst wird.