Hücre zarının dışı ile içi arasındaki elektrik yükü göreceli farkı ya da gerilime, zar potansiyeli denir. Membranın çeşitli iyonlara geçirgenliğindeki farklılıklar ve bu iyonların zar boyunca konsantrasyonları ile üretilir.
Bir hücrenin membran potansiyeli, bir hücreye bir mikroelektrot sokularak ve yükü hücre dışı sıvıdaki bir referans elektrotla karşılaştırarak ölçülebilir. İstirahatte bir nöronun membran potansiyeli (yani mesaj almayan veya göndermeyen bir nöron) negatiftir ve tipik olarak -70 milivolt (mV) civarındadır. Buna istirahat membran potansiyeli denir. Negatif değer, membranın iç kısmının dışarıdan nispeten daha negatif olduğunu gösterir yani polarize durumdadır. Dinlenme potansiyeli iki ana faktörden kaynaklanır: membranın seçici geçirgenliği ve hücre içindeki iyon konsantrasyonundaki farklılıklar.
Hücre zarları seçici olarak geçirgendir, çünkü çoğu iyon ve molekül, genellikle membranı kaplayan iyon kanalı proteinlerinden yardım almadan iki katlı lipit tabakasını geçemez. Bunun nedeni, yüklü iyonların membranların yüksüz hidrofobik iç kısmından difüzyona uğrayamamasıdır. Sinir dokusunda bulunan en yaygın hücre içi ve dışı iyonlar potasyum (K+), sodyum (Na+), klorür (Cl–) ve kalsiyumdur (Ca2+ ). Bir nöron istirahat durumunda iken, potasyum (K+) kanalları, K+'un zar boyunca göç etmesine izin veren açık olan ana iyon kanalı türüdür. Bu geçirgenlik, büyük hücre içi konsantrasyonlarla birlikte, nöronun dinlenme membran potansiyelinin esas olarak K+ hareketi ile belirlenmesine yol açar.
Nöronların içi ve dışı arasındaki iyon konsantrasyonundaki farklılıklar öncelikle sodyum-potasyum (Na+/ K+) pompasının aktivitesinden kaynaklanır, bu da pompaladığı her iki K+ iyonu için hücreden sürekli olarak üç Na+ iyonu pompalayan bir transmembran proteindir. Bu pompanın çalışması, nöronların dışında Na+ iyonlarının daha yüksek bir konsantrasyona ve içindeki K+ iyonlarının daha yüksek bir konsantrasyona sahip olmasına sebep olur.
Membran istirahat sırasında açık K+ kanalları nedeniyle öncelikle K+ iyonlarına geçirgen olduğundan, K+ konsantrasyon gradiyenti altında hücre dışında, düşük konsantrasyon bölgesine doğru hareket eder. Hücreden ayrılan bu pozitif yükler, hücre içinde negatif yüklü proteinlerin bulunmasıyla birleşince, hücrenin içinin nispeten daha negatif olmasına neden olur.
Sonuç olarak, K+ iyonlarının dışarıya difüzyonu hücre dışında biriken pozitif yüklerin elektrostatik itme kuvvetleri ile dengelenir ve elektrokimyasal denge ulaşılır. Net gözlenen sonuç negatif dinlenme potansiyelidir. Dinlenme potansiyeli sinir sisteminde çok önemlidir, çünkü membran potansiyelindeki değişiklikler (aksiyon potansiyeli gibi) nöral sinyallemenin temelini oluşturur.
Balon balığı, Japonya dışındaki birçok deniz ürünleri menüsünde sıklıkla bulunmaz, çünkü kısmen güçlü bir nörotoksin içerir. Tetrodotoksin (TTX), minimum dozlarda ölümcül olan çok seçici bir voltaj kapılı sodyum kanal blokeridir. Fareler için medyan öldürücü doz (LD50), potasyum siyanür için 8,5 mg/kg ile karşılaştırıldığında 334 μg/kg'dır. Aynı zamanda sinirbilim araştırmalarında önemli bir araç olarak hizmet etmektedir. Toksin, kanal açıldığında hücreye Na+ akışını engeller. Bu nedenle, aksiyon potansiyellerini (ancak dinlenme membran potansiyelini değil) bozar ve nöronal aktiviteyi baskılamak için kullanılabilir. Etki mekanizması, 1964'te dev ıstakoz aksonu üzerinde çalışan Duke Üniversitesi'nden Toshio Narahashi ve John W. Moore tarafından gösterilmiştir.
