신경 세포
모든 신경 세포는 전기적인 흥분성을 띈다. 신경 세포는 이온 통로, 이온 펌프등을 이용하여 나트륨, 칼륨, 칼슘, 염소이온들을 세포막 안과 밖의 농도차를 만들어 막전위를 형성한다. 신호가 오기 전 일상적인 상태의 막전위를 휴지 전위(-70mv)라고 하며, 신경 세포에 역치(-55mv) 이상의 자극이 가해질경우 활동전위(+40mv)에 도달하여 탈분극이 이루어진다. 탈분극이 일어난 후 통로의 개폐로 재분극 상태가 되어 다시 휴지 전위로 돌아가게 된다 .
통증
대부분의 경우, 통증 자극은 특정 신경 섬유에 인접해 있는 조직에 부분적 손상이 일어남으로써 생긴다. 이러한 조직의 변화는 피부 내의 통각 섬유를 활성화시키는 화학 물질을 분비하여 신경 말단에 작용하도록 하는데, 신경펩티드, 세로토닌, 히스타민 등이 그러한 물질에 해당된다. 진통제 연구에서는 이 물질들이 매우 중요하게 여겨진다. 화학 물질의 결합으로 뉴런에서 발생된 활동 전위는 척수의 배각(dorsal horn)으로 연결되어, 척수에서 시냅스를 이루어 통증 섬유를 자극해 글루타메이트, P물질을 분비시킨다. 그리하여 뇌의 시상에까지 통증에 관한 정보를 전달하게 된다.
통증 섬유는 액손(axon) 타입에 따라 미엘린 섬유로 둘러싸인 것(Aα, Aβ, Aδ)과 둘러싸이지 않은(C) 것의 크게 두 가지로 나뉘고, 이는 수용체 타입에 따라 차례로 골격근 수용기, 피부의 기계적 감각 수용기, 통증·온도 수용기, 통증·온도·가려움 수용기의 네 가지로 구분된다. 각각의 섬유는 자극의 종류에 따라 역할이 분화되어 있을 뿐 아니라 직경이나, 전도 속도, 역치 수준에서 다른 특징을 가지고 있다.
캡사이신(Capsaicin)에 관한 연구는 자극에 특성화된 통증섬유에 관한 이러한 이론을 뒷받침해주고 있다. 고추를 먹었을 때 매운 맛을 느끼게 하는 성분인 캡사이신에 반응하는 수용체를 연구하던 학자들은, 이 수용체가 온도의 갑작스러운 상승에도 반응한다는 사실을 발견했다. 이 수용체를 vanilloid receptor 1(VR1)이라 부른다. VR1 수용체가 결핍된 쥐의 경우 기계적 자극에 의한 고통에는 반응을 보였으나, 열이나 캡사이신에 의한 자극에는 반응을 보이지 않았다. 이에 따르면, 매운 고추를 먹었을 때 뜨겁게 느껴지는 이유를 고추에 함유된 캡사이신이 VR1 수용체를 활성화시키기 때문으로 설명할 수 있다. 캡사이신을 피부에 흡수시킬 경우 관절의 통증을 완화시키기도 하는데, 이는 통증 섬유가 과활성화됨에 따라 신경전달물질이 일시적으로 소진되었기 때문일 것으로 풀이된다.