तंत्रिका तंत्र में प्रत्येक विद्युत संकेत झिल्लियों के पार आयनों की नियंत्रित गति पर निर्भर करता है। आयन चैनल प्रोटीन के छिद्र होते हैं जो इस गति को संभव बनाते हैं। कुछ वोल्टेज में परिवर्तन के कारण खुलते हैं, जबकि अन्य न्यूरोट्रांसमीटर के बंधन या यांत्रिक खिंचाव के कारण खुलते हैं।

चयनात्मकता फिल्टर कुछ आयनों—सोडियम, पोटेशियम, कैल्शियम, क्लोराइड—को गुजरने देते हैं जबकि अन्य को रोकते हैं। चैनल के खुलने और बंद होने का समय क्रिया विभव के स्वरूप, सिनैप्टिक धाराओं की अवधि और स्वयं विश्राम विभव को निर्धारित करता है। चैनल जीन में आनुवंशिक उत्परिवर्तन मिर्गी से लेकर माइग्रेन और आवधिक पक्षाघात तक कई प्रकार के तंत्रिका संबंधी विकार उत्पन्न करते हैं।

औषध विज्ञान दशकों से आयन चैनलों का उपयोग करता आ रहा है: स्थानीय एनेस्थेटिक्स सोडियम चैनलों को अवरुद्ध करते हैं, कई मिर्गी रोधी दवाएं सोडियम या पोटेशियम चैनलों को नियंत्रित करती हैं, और कई अन्य एजेंट लिगैंड-गेटेड चैनलों को लक्षित करते हैं। उच्च-रिज़ॉल्यूशन संरचनाएं अब यह प्रकट करती हैं कि ये प्रोटीन वोल्टेज या लिगैंड को कैसे महसूस करते हैं और दवाएं उनसे कैसे जुड़ती हैं।

एक न्यूरॉन दर्जनों अलग-अलग प्रकार के चैनल व्यक्त करता है जो मिलकर उसके विद्युत गुणों को आकार देते हैं।