Każdy sygnał elektryczny w układzie nerwowym zależy od kontrolowanego ruchu jonów przez błony komórkowe. Kanały jonowe to pory białkowe, które umożliwiają ten ruch. Niektóre otwierają się w odpowiedzi na zmiany napięcia, inne w odpowiedzi na wiązanie neuroprzekaźników lub na rozciąganie mechaniczne.

Filtry selektywne przepuszczają określone jony – sodu, potasu, wapnia i chlorków – jednocześnie blokując inne. Moment otwarcia i zamknięcia kanału determinuje kształt potencjałów czynnościowych, czas trwania prądów synaptycznych oraz sam potencjał spoczynkowy. Mutacje genetyczne w genach kanału powodują szeroki zakres zaburzeń neurologicznych, od padaczki, przez migrenę, po okresowe porażenia.

Farmakologia od dziesięcioleci wykorzystuje kanały jonowe: środki znieczulające miejscowo blokują kanały sodowe, wiele leków przeciwdrgawkowych moduluje kanały sodowe lub potasowe, a wiele innych leków blokuje kanały bramkowane ligandami. Struktury o wysokiej rozdzielczości ujawniają obecnie, jak te białka wykrywają napięcie lub ligandy i jak leki się z nimi wiążą.

Pojedynczy neuron wyraża dziesiątki odrębnych typów kanałów, które razem kształtują jego osobowość elektryczną.