Нейрон воспринимает электрические сигналы, подобно сверхчувствительному микрофону, улавливающему малейшие колебания. Его «слуховой аппарат» — ионные каналы, белковые поры в клеточной мембране, которые открываются в ответ на изменение трансмембранного напряжения, порождаемого движением заряженных частиц. Однако в этом ионном потоке неизбежно присутствуют помехи, ограничивающие точность обработки информации. Первой проявляется дробовой шум — дискретные флуктуации, вызванные тем, что каждый ион пересекает канал независимо, нанося микроскопический электрический «удар», подобно тому как отдельные капли дождя беспорядочно барабанят по жестяной крыше. Для одиночного ионного канала этот шум устанавливает предел точности регистрации напряжения на уровне примерно 10 милливольт.

Когда же сигнал формируется совокупной работой сотен каналов, дробовые флуктуации статистически усредняются, и на передний план выходит иной фундаментальный источник неопределённости — тепловой шум, также известный как шум Джонсона–Найквиста. Это непрекращающееся хаотическое движение молекул, обусловленное тепловой энергией; в электрических цепях оно проявляется как случайные колебания напряжения на сопротивлении мембраны. Тепловой шум не устраним принципиально, поскольку порождён самой температурой среды, и именно он задаёт абсолютный нижний порог чувствительности нейрона.

Примечательно, что переход от доминирования дробового шума к доминированию теплового происходит именно при тех плотностях распределения ионных каналов, которые обнаруживаются в реальных нейронах. Так, в аксонном холмике — специализированном участке нейрона, где генерируются потенциалы действия и критически важна скорость и точность передачи сигнала, — плотность каналов в сотни раз превышает таковую на теле клетки. Это указывает на то, что в ходе эволюции нервная система достигла оптимального компромисса: она использует ровно столько молекулярных ресурсов, сколько необходимо, чтобы работать вблизи физических пределов, налагаемых законами термодинамики и статистической физики, не растрачивая энергию на избыточную точность.