Trong nơron sinh học, dây thần kinh vào cung cấp các tín hiệu đầu vào cho nơron. Chúng truyền và giữ nguyên dạng các tín hiệu vào thân nơron. Thân nơron thực hiện các thao tác toán học trên các tín hiệu này và tạo ra điện thế hoạt động truyền theo dây thần kinh ra. Điện thế hoạt động xuất hiện trên các dây thần kinh ra như một chuỗi xung, gọi là xung thần kinh. Các điện thế hoạt động được truyền không suy giảm trên dây thần kinh ra và các nhánh của nó đến các tế bào đích như các nơron, cơ bắp, các tuyến... Quá trình tạo ra xung thần kinh trong nơron hoặc truyền trên các dây thần kinh ra là do thay đổi sự thẩm thấu của các ion K+ và Na+ trên màng tế bào thần kinh.
Khớp thần kinh đóng vai trò bộ biến đổi hóa học để truyền tín hiệu qua ranh giới của khớp nối. Điện thế hoạt động dọc theo dây thần kinh ra của nơron này được khớp thần kinh chuyển thành điện áp trên dây thần kinh vào của nơron khác. Nơron được xem là hoạt động khi nó tạo ra chuỗi các điện thế hoạt động. Khi xung thần kinh truyền tới khớp thần kinh giải phóng chất trong khớp tạo ra đáp ứng điện. Đáp ứng điện này có thể là kích thích hoặc ức chế được biểu trên hình 2.6.
Hình 2.6: Điện thế kích thích và ức chế của khớp thần kinh.
Bản chất của đáp ứng điện tùy thuộc vào kiểu của bộ biến đổi hóa học và màng dây thần kinh vào. Các dây thần kinh đầu vào bắt nguồn từ các khớp thần kinh kích thích có xung hướng tăng cường độ đốt nơron. Trong khi các đầu vào từ các khớp ức chế có xu hướng giảm cường độ đốt nơron. Một nơron nhận nhiều đầu vào kích thích và ức chế. Nếu các đầu vào kích thích càng mạnh thì xung đầu ra càng lớn. Ngược lại, nếu các đầu vào ức chế chiếm ưu thế thì đầu ra sẽ nhỏ hoặc bị triệt tiêu hoàn toàn. Độ lớn của tín hiệu trên dây thần kinh vào tỉ lệ với tần số trung bình của các xung truyền tới khớp thần
kinh. Các khớp thần kinh thường nằm giữa dây thần kinh vào và dây thần kinh ra. Nó cũng có thể xuất hiện giữa các dây thần kinh ra hoặc giữa các dây thần kinh vào, thậm chí nằm giữa dây thần kinh ra và thân nơron. Một nơron có khả năng mã hóa các tín hiệu kích thích thành tần số xung như hình 2.5. Hai tính chất quan trọng của các điện thế hoạt động có liên hệ trực tiếp với khả năng mã hóa tần số của nơron. Tính chất thứ nhất là thời gian tăng, nó được xác định bằng thời gian bắt đầu kích thích đến khi điện thế hoạt động đạt cực đại. Thời gian tăng này giảm theo hàm mũ khi tăng cường độ kích thích. Tính chất thứ hai gọi là thời gian hồi phục, là thời gian ngắn nhất cần thiết để tạo hai điện thế hoạt động thành công trên dây thần kinh ra như hình 2.5. Nói cách khác là thời gian ngắn nhất giữa hai điện thế hoạt động. Ngưỡng của kích thích thứ hai tùy thuộc vào thời gian hồi phục. Có một vùng thời gian chết gọi là thời gian hồi phục tuyệt đối. Trong khoảng thời gian này, nơron không thể tạo ra một xung thần kinh khác. Sau thời gian hồi phục tuyệt đối thì cường độ ngưỡng kích thích của xung thứ hai giảm theo hàm mũ khi tăng thời gian hồi phục.
Do đó, nếu cung cấp kích thích với ngưỡng không đổi thì thời gian tăng và thời gian hồi phục sẽ điều khiển tần số của các xung đầu ra. Chẳng hạn, kích thích với cường độ cao sẽ thu được thời gian hồi phục nhỏ và thời gian tăng ngắn, do đó tạo ra điện thế hoạt động có tần số cao.