動作電位（Action Potential）的產生與傳播涉及離子通道的分子生物物理學、膜電路理論和計算神經科學模型。Hodgkin-Huxley 模型是 20 世紀神經科學最重要的理論成就之一。
Hodgkin-Huxley 模型的建立與數學描述
Alan Hodgkin 和 Andrew Huxley（1952；諾貝爾獎 1963）以烏賊巨大軸突（直徑可達 1mm，便於操作）為模型，使用 voltage clamp 技術分離 Na⁺ 和 K⁺ 電流成分。他們將膜等效為並聯電路：膜電容 Cm 並聯三個電導支路——電壓和時間依賴的 Na⁺ 電導 gNa、電壓和時間依賴的 K⁺ 電導 gK 和常數漏電導 gL。
核心方程式：Cm(dV/dt) = -gNa·m³h·(V - ENa) - gK·n⁴·(V - EK) - gL·(V - EL) + Iext
其中 m（Na⁺ 活化門）、h（Na⁺ 不活化門）和 n（K⁺ 活化門）各遵循一階動力學：dx/dt = αx(V)(1-x) - βx(V)x。m 的時間常數最短（~0.1ms，快速活化），h 的時間常數較長（~1ms，延遲不活化），n 的時間常數介於兩者之間。m³h 的冪次來自對實驗電導曲線的最佳擬合，後來被離子通道的分子結構所驗證——Nav 通道有四個同源結構域各含一個活化門，以及一個不活化門。
離子通道的分子結構與門控機制
電壓門控 Na⁺ 通道（Nav1.x 家族）的冷凍電顯結構（Yan et al., 2017, Science）揭示了 S4 電壓感測器的「螺旋螺桿」（helical screw）運動機制：去極化驅動 S4 段帶正電的精胺酸殘基（gating charges, ~12-14 e₀ per channel）向外移動，透過 S4-S5 linker 打開孔道活化門。快速不活化由 Domain III-IV 的胞內連接環上的 IFM motif（Ile-Phe-Met）介導——此三胜肽像分子尺度的「球」插入通道內口（hinged-lid 機制，West et al., 1992, PNAS）。局部麻醉劑（如 lidocaine）偏好結合不活化態的 Na⁺ 通道（use-dependent block），解釋了其頻率依賴性阻斷特性。
K⁺ 通道的離子選擇性機制由 Roderick MacKinnon（2003 年諾貝爾化學獎）透過 KcsA 通道的 X 射線晶體結構闡明：選擇性濾器（selectivity filter）由 GYG 序列的羰基氧原子排列，精確模擬 K⁺（離子半徑 1.33 Å）的水合殼層間距，使 K⁺ 可脫水通過；較小的 Na⁺（0.95 Å）因脫水能量代價過高而被排斥（選擇性約 10,000:1 for K⁺ over Na⁺）。
Cable theory 與傳導速度
軸突視為 leaky cable：被動電訊號隨距離指數衰減，空間常數 λ = √(rm/ri)。髓鞘透過增加 rm（減少跨膜漏電流）和降低膜電容 Cm，大幅增加 λ。在蘭氏結，Nav1.6 通道密度極高（~1200 channels/μm²，相較結間段 < 25/μm²）以再生 AP。傳導速度：無髓鞘纖維正比 √d，有髓鞘纖維正比 d（直徑）。Rushton（1951）計算出髓鞘化的最佳 g-ratio（軸突直徑/總纖維直徑）約 0.6。多發性硬化症（MS）中免疫介導的髓鞘脫失導致傳導阻斷或速度下降，4-aminopyridine 阻斷暴露的 Kv 通道可部分恢復傳導。
超越經典 HH 模型
簡化模型在大規模模擬中取代 HH 的生物物理細節：Integrate-and-Fire 模型（線性整合至閾值後重置）、Izhikevich（2003）模型用 2 個變量和 4 個參數再現 20 種已知的神經元放電模式。多區室模型（如 NEURON 和 GENESIS 模擬器）整合樹突的主動特性——NMDA spike（Schiller et al., 2000, Nature）和 Ca²⁺ spike 使單一樹突分支可執行非線性運算，挑戰了神經元是簡單線性整合器的觀點。Bittner et al.（2015, Science）發現海馬迴 CA1 錐體細胞的樹突 Ca²⁺ plateau potential 可產生時長數百毫秒的持續性去極化，對記憶形成的行為時間尺度（behavioral timescale synaptic plasticity）至關重要。