Ein Aktionspotential wird entlang eines Axons unidirektional propagiert, hauptsächlich aufgrund der Refraktärzeit der Natriumkanäle. Nachdem ein Aktionspotential an einem bestimmten Punkt des Axons ausgelöst wurde, gehen die Natriumkanäle in einen inaktiven Zustand über und können für eine kurze Zeit kein weiteres Aktionspotential auslösen. Diese Phase wird als absolute Refraktärzeit bezeichnet. Zusätzlich gibt es eine relative Refraktärzeit, in der die Natriumkanäle beginnen, sich zu erholen, aber ein stärkerer Reiz als normal erforderlich ist, um ein neues Aktionspotential auszulösen. Diese beiden Phasen verhindern, dass das Aktionspotential rückwärts wandert und sorgen dafür, dass es sich nur in eine Richtung, nämlich vom Axonhügel zu den Synapsen, ausbreitet. Ein weiterer Faktor ist die Struktur des Axons selbst, insbesondere bei myelinisierten Axonen, wo das Aktionspotential von einem Ranvier'schen Schnürring zum nächsten springt (saltatorische Erregungsleitung). Dies trägt ebenfalls zur unidirektionalen Ausbreitung bei.