Зменшення опору мембрани свідчить про збільшення її проникності, в результаті чого іони натрію і калію починають дифундувати у взаємно протилежних напрямках згідно концентраційному градієнту (різниці їх концентрацій). На початку процесу збудження проникність зростає для іонів натрію (вона збільшується в 500 разів і стає в кілька разів більше, ніж для калію). Спрямовується всередину потік позитивно заряджених іонів натрію призводить не тільки до нейтралізації негативно зарядженої внутрішньої поверхні мембрани (деполяризація її), але і до зміни її знака заряду - реверсії мембранного потенціалу. Момент максимального надходження всередину іонів натрію відповідає вершині (піку потенціалу дії. На мембрані, тепер вибірково проникною для іонів натрію, виникає новий потенціал рівноваги, має зворотний напрямок потенціалу спокою. Різниця потенціалів між зовнішньою і внутрішньою поверхнями клітинної мембрани досягає 40-50 мВ. Таким чином, амплітуда потенціалу дії на 40-50 мВ більше амплітуди потенціалу спокою і дорівнює 100-120 мг. Положення про виборчої проникності мембрани для іонів натрію в період наростання активності підтверджується тим, що зміна концентрації натрію в зовнішнім середовищі приводить до зміни потенціалу дії в збудливих клітинах. У відсутність натрію потенціал дії зовсім не виникає.
Через 1 мс проникність мембрани для іонів натрію, досягнувши максимуму, починає падати (процес цей названий A. Hodgkin інактивацією), а для калію, навпаки, зростає. Швидкість виходу калію назовні починає перевищувати швидкість проникнення іонів натрію всередину клітини. У результаті кількість позитивних зарядів всередині клітини починає зменшуватися - відбувається реполяризація клітинної мембрани: внутрішня її поверхня стає негативно зарядженою, а зовнішня - позитивно зарядженою.
Значний інтерес представляють дослідження Lorente de No (1949), показав роль метаболічних процесів у підтримці мембранного потенціалу, а отже, і збудливості клітини. Пасивні зміни потенціалу мембрани, наприклад, пропусканням струму від зовнішнього джерела через возбудимую клітку також можуть підтримувати функціональний стан дратівливого апарату, але за умови, якщо метаболічні процеси в клітині збережені. При вираженому порушенні обміну речовин це є неможливим.
Процес збудження має наступні чотири фази:
1) фаза виникнення збудження;
2) фаза спалахи збудження (так званий спайк, коли інтенсивність збудження досягає максимуму) ;
3) фаза спадання інтенсивності порушення і відновлення рівноваги;
4) фаза метаболічна, протягом якої відбувається завершення обмінних процесів і відновлення енергетичного балансу клітини.
Проведені Hodgkin і його співробітниками (1965) дослідження показали, що під час одиночного імпульсу нервове волокно втрачає певну кількість іонів калію і отримує таку ж кількість іонів натрію. Само собою зрозуміло, що ці іони повинні бути «посаджу» назад на свої місця. В іншому випадку з плином часу різниця в обох концентраціях іонів по обидві сторони мембрани повинна вирівнятися, в результаті чого виникнення збудження в клітці стане неможливим. Механізм, який сприяє збереженню поступової різниці концентрацій іонів натрію і калію по обидві сторони мембрани, названий Ходжкиным «натрій-калієвим насосом». Існування такого механізму в даний час не викликає ні у кого жодних сумнівів. Однак як він працює, в чому його сутність,- це залишається поки невідомим. Зроблені Hodgkin і його співробітниками спроби пояснити цей механізм не знайшли визнання і викликали заперечення дослідників.
Безсумнівно лише одне: робота цього гіпотетичного «насоса» безперечно пов'язана з витратами енергії, що утворюється в результаті обміну речовин. Досліди показують, що якщо впливати на клітину речовинами, що пригнічують метаболічні процеси, зворотне впровадження іонів на свої місця різко сповільнюється.
