Dlouhodobá potenciace je trvalé zvýšení síly synaptického přenosu, které následuje po krátké vysokofrekvenční stimulaci dráhy. Je všeobecně považována za buněčný mechanismus, který je základem učení a paměti.

Když presynaptický neuron rychle a opakovaně vysílá signály na postsynaptický neuron, synapse se stává efektivnější. Následné signály vyvolávají větší postsynaptické reakce. Proces silně závisí na NMDA receptorech, které umožňují vstup vápníku pouze tehdy, když je postsynaptická buňka již depolarizovaná. Vápník spouští molekulární kaskády, které vkládají do membrány další AMPA receptory a mohou vést ke strukturálním změnám, jako je růst nových dendritických trnů.

Dlouhodobá potenciace byla nejvíce studována v hipokampu, nicméně podobné procesy probíhají i v jiných oblastech mozku. Blokování molekulárních kroků LTP narušuje určité formy učení u zvířat; jejich posílení může zlepšit výkon. Tento jev poskytuje konkrétní most mezi zkušeností a trvalou změnou v nervových obvodech.

Když si synapse pamatuje nedávnou intenzivní aktivitu tím, že se stává silnější, funguje dlouhodobá potenciace.