前文提及，生物細胞膜內外，都帶有由離子的不均衡分布而造成的電位差。然而，真正的細胞膜電位，除了要考慮所有參與離子的平衡電位外，還得加入細胞膜對不同離子擁有不同的通透性這項因素。

生物細胞的細胞膜（也包括形成細胞內胞器 [organelle] 的生物膜），是由許多並排的磷脂質（phospholipid）分子所組成的雙層構造。磷脂質的一頭是不帶電、屬於「非極性（nonpolar）」的兩條脂肪酸鏈，另一頭則是帶電、屬於「極性（polar）」的磷酸根，。因此，磷脂質是種雙性分子（amphipathic molecule），也就是同時帶有極性與非極性部分的分子。

像磷脂質這種雙性分子在水溶液中，會自然而然形成一些特殊的結構；那是因為水分子帶有極性，會與極性分子相吸，而與非極性分子相斥。因此，雙性分子的極性端具有親水性（hydrophilic），非極性端則具有厭水性（hydrophobic）。

一般來說，磷脂質在水中會形成浮在水面的單層（極性端朝下，與水分子接觸；非極性端則朝上，與空氣接觸），或懸浮在水中的球形（極性端朝外，非極性端朝內）。至於形成細胞膜的磷脂質，則是由兩層的磷脂質分子構成：極性端位於膜內外兩側，與細胞內液及外液接觸，非極性端則像三明治一樣，給夾在中間。這些構形係由基本的分子作用力形成，也都可由人工方式產生。

由於細胞膜中間是一層不帶電的非極性區，所以對於帶極性的水分子及離子的通透性甚低，帶電的蛋白質大分子就更別提了。為了克服這層障礙，細胞發展出各式各樣促進極性分子進出細胞膜的方式；細胞膜上存在的水通道（aquaporin）、各種離子通道（ion channel）、轉運子（transporter）及幫浦（pump）等，都是為了這個目的而出現。

細胞膜上的離子通道性質不一，有的選擇性高，只允許某種離子通過，有的則不那麼挑剔，對帶有相同電性的離子一視同仁；有的通道隨時維持在開啟的狀態，稱為「滲漏型（leaky）」，有的則可受各種因素影響，而改變其開啟狀態，稱為門控型「（gated）」。傳統生理及藥理學研究，找出了具有各式各樣性質的離子通道，並加以分類；新一代的分子生物及結構生物學研究，則致力於解開這些通道的實際構造及調控之道。前文提到的諾貝爾獎得主麥金能，就是其中的佼佼者。

以靜止細胞膜而言，某些容許鉀離子及氯離子通透的管道，要比容許鈉離子通透的管道，開啟程度大得多（差別在 20 倍上下，所以前文提到的竇南平衡，只考慮鉀及氯離子）；因此之故，細胞的靜止膜電位（resting membrane potential），較接近鉀及氯離子的平衡電位，約在 -70mV 左右。

由於靜止細胞膜對鈉離子的通透性甚低，就算鈉離子在細胞膜內外的濃度有 10 倍以上的差異，但對於靜止膜電位的貢獻其實很小。某些敎科書上說，由於細胞外有較多的鈉離子，所以造成外正內負的膜電位，是完全錯誤的；事實上，靜止膜電位是由少數從細胞內跑到細胞外的鉀離子所造成，而與鈉離子無關。

然而，包括神經、肌肉及某些腺體在內的可興奮細胞（excitable cell），在受到物理或化學刺激時，會開啟細胞膜上某些鈉離子通道及╱或關閉某些鉀離子通道，而降低膜電位（從 -70 mV 往正值移動）。甚至當膜電位低至某個門檻時（-50 mV 左右），還會進一步造成某些對電位敏感的鈉離子通道，出現迅速、大量，但短暫的開啟，讓鈉離子順著濃度及電位梯度湧入細胞內，促使膜電位趨近鈉離子的平衡電位（內正外負），這也就是所謂的動作電位（action potential）。

一般所說的神經放電（firing）或脈衝（impulse），指的就是這種動作電位。但動作電位的幅度最多只達 +30 mV 左右，不會到達鈉離子的平衡電位 +50mV，理由是這種鈉離子通道的開啟時間不長（擁有迅速去活化的裝置），同時還有另一批對電位敏感的鉀離子通道會接著開啟，將膜電位迅速回復原先的數值（-70mV）。

前文提過，將細胞膜這種生物電容器充電，所需的不配對離子數量不用太多，因此，神經與肌肉可以反覆興奮達數千次之多，也不至於造成細胞內外濃度梯度的顯著降低，導致停擺；同時還有鈉-鉀幫浦的不斷作工，將流入細胞的鈉送到細胞外，流出細胞外的鉀送回細胞內，以維持鈉鉀在細胞內外的不均等分布。

細胞膜電位的實際數值甚低，以毫伏（mV）為單位（是一般家用電位伏特的千分之一），至於從頭皮記錄到的腦電波，幅度更低，以微伏（mV）為單位（是一般家用電位伏特的百萬分之一），都得利用電子儀器放大一千到一萬倍以上，才偵測得到。再者，腦電波記錄的是由數以千計的腦神經放電所造成的細胞外場電位（field potential）變化，一來不代表人的思想（只能約略顯示人的警醒及受刺激狀態），再來更不具有任何特異功能；許多描寫腦電波的科幻作品，都把它的功能給誇大了。

然而，膜電位對生命的重要性，卻無以復加。一般對生命的定義，多是拿生命體表現出來的特性為主，好比生長、代謝、適應及生殖等；但從細胞層面來看，維持細胞內外離子的不均等分布以及形成膜電位，才是生命最根本的現象。這一點，常為多數人給忽略。

以神經細胞而言，各種感覺及運動訊息的傳遞。全靠膜電位的變化；甚至我們的思想，也離不開神經細胞的電性活動。對體內其他細胞來說，膜電位的變化可促使肌肉收縮、腺體分泌，以及將訊息從細胞外轉移至細胞內，而引發細胞內許多反應。再來，體細胞對許多營養物質（例如葡萄糖、胺基酸）的吸收，也多靠細胞內外建立的鈉離子濃度梯度，所進行的次級主動運輸（secondary active transport）。

因此，如果細胞少了細胞膜電位，神經不再傳導、心臟不再跳動、肌肉不再收縮、物質不再進出，生命也就沉寂落幕了。由此觀之，細胞膜兩側離子的不均等分布，以及因此造成的膜電位，其作用也大矣！

細胞膜電位生成的離子機制，是1963年諾貝爾生理或醫學獎得主霍奇金（Alan L. Hodgkin, 1914~1998）及赫胥黎（Andrew F. Huxley, 1917~）兩人於1940年代，利用烏賊的巨型神經軸突（squid’s giant axon）為實驗材料，加上細胞內電位記錄法及一些藥物的幫忙而解開的。當年華生對此無法理解，還情有可原，超過半世紀後的我們如果還不求甚解，就說不過去了。

神經生理學家從體表記錄到由許多細胞集體放電所形成的場電位（心電圖、腦電圖）開始，到使用微電極（microelectrode）於離體或活體的神經細胞外圍、甚至插入細胞內記錄單細胞的放電（single-neuron recording），再到利用分離的細胞膜片記錄單一離子通道的開啟（patch-clamp single-channel recording），可說已走了相當遙遠的路。

如今，科學家除了從分子層面解開離子通道的奧秘外，還試圖了解神經網絡間電性傳導及整合的方式。例如從猴子的大腦運動皮質，同時記錄上百個參與運動的神經細胞放電活性，就可以利用這些數位訊息來操縱人造的機械手臂。這可以說是以真正的「念力」來控制外在物體的第一步，只不過其中所需的軟硬體配備，可是要比科幻小說中的想像，複雜太多了。

        參與控制肌肉收縮的神經活性，還算是神經系統裡最簡單的部分，至於人的思想、記憶、情緒等高階大腦活性，通常有不只一處的腦區同時活化，其複雜程度遠超過我們的想像。真實世界裡的人與事，常比小說創造還引人入勝，在此又得到證明。生物電本身雖然不像科幻小說寫的那麼神奇引人，但重要性卻有過之而無不及，值得我們多花點時間了解，甚至進一步研究。