先說說什麼是 excitability。所有細胞都有 resting membrane potential，但有些細胞的細胞膜上有著可以開閉的 gate channel，這使得細胞有了接受刺激並傳遞訊息的能力，就是 excitability。全部的 neurons 和 mucsle 都有 excitability。Electrical signals 分為兩種，近距離的 graded potentials 和 遠距離的 action potentials。再來記些基本名詞：
Depolarized：when potential becomes less negative（close to zero）。
Overshot（逆級化）：reversal of the membrane potential polarity。
Repolarized：returns to the resting value。
Hyperpolarized：potential is more negative than the resting level。
Graded potentials 只在細胞膜上的一小片區域內發生，可以去極化或過極化，隨刺激大小改變大小，隨距離遠近逐漸減小（decremental）。並且有 summation （加成）的特性。Graded potentials 在不同部位會有不同名字，比如在 postsynaptic neuron 叫 synaptic potential（EPSP，IPSP），在 afferent neuron 叫 receptor potential，在特化細胞叫 pacemaker potential（節律電位）。
接下來就要講 action potentials 的產生。在開始之前，要先對產生 action potentials 的 ion channels 的特性有基本的了解。
細胞膜上的 voltage-gated ion channels 使得 action potentials 能夠產生。Na+ 和 K+ 兩種 voltage-gated ion channels 在 resting membrane potential 時都是處於關閉的狀態。Depolarization 的時候才會打開，但又存在一些差別。首先，Na+ 的反應會快一些。開始 depolarization 的時候 Na+ 先打開，repolarization 的時候 Na+ 關起來。第二個差別是 Na+ 有特殊的 ball and chain 結構，叫 inactivation gate。在 depolarizaton 之後把通道堵上，repolarization 時，通道關閉，把球球擠出來，恢復到正常關閉的狀態。
首先，一個 depolarizing simulus 把 membrane potential 帶到 threshold voltage（一般是 15 mV）。
Voltage-gated Na+ channels 打開，Na+流入造成去極化，去極化又打開更多的 voltage-gated Na+ channels，形成 positive feedback loop。
一直到 overhoot，membrane potential 接近（但其實還差很遠） Na+ 的 equilibrium potential（+60 mV）。這時 inactivation gates 開始作用，堵上 Na+ 通道，而慢一步打開的 K+ 通道使 K+ 外流，造成 repolarization 的 negative feedback。
隨著 membrane potential 變負並接近 resting membrane potential，K+ channels 慢慢關閉，Na+ channels 也從 inactivated state 恢復 到 close state。但 K+ channels 關得太慢了，造成了 hyperpolatization。這段 action potential 也叫 afterhyperpolarization。等到 K+ 都關上，就恢復到了 resting membrane potential。
接著是兩個 action potentials 的特性。一個是 all-or-none，只有達到 threshold potential 的刺激才會造成 action potential。另一個是 refractory periods，不反應期。Absolute refractory periods 是由於 inactivation gate 把 Na+ channel 是堵上了，要進入到 close state 後才能再開啟。Relative refractory period 則是伴隨著 afterhyperpolarization。這時一部分 Na+ channels 已經恢復 resting state，但一些 K+ channels 仍然開著，所以需要更強的刺激才能達到 threshold。
因為有 refractory periods，action potentials 才能朝一個方向傳遞。在有myelin 的 fiber 上 action potential 能進行 saltatory conduction（跳躍式傳導），只在 nodes of Ranvier 發生 depolarization。
在 afferent neurons（傳入神經元），initial depolarization 是由叫做 receptor potential 的 graded potential 引起。其他地方則可能是 synaptic potential 或 pacemaker potential，都是 graded potential。最後總結一下 graded potential 和 action potential 的差異：
