Glutamat ist der wichtigste erregende Neurotransmitter im Säugetiergehirn. Es erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass ein Neuron feuert, und ist essenziell für die schnelle synaptische Übertragung, das Lernen und das Gedächtnis.

Glutamat wirkt an verschiedenen Rezeptortypen, darunter AMPA- und NMDA-Rezeptoren. AMPA-Rezeptoren vermitteln schnelle exzitatorische postsynaptische Potenziale. NMDA-Rezeptoren, die sowohl Glutamat als auch eine postsynaptische Depolarisation zum Öffnen benötigen, spielen eine entscheidende Rolle in der synaptischen Plastizität. Die Koinzidenzerkennung durch NMDA-Rezeptoren gilt weithin als zellulärer Lernmechanismus: Bei gleichzeitiger prä- und postsynaptischer Aktivität strömt Kalzium ein und löst die anhaltenden Veränderungen aus, die die Synapse stärken.

Zu viel Glutamat ist toxisch. Eine Überaktivierung von Glutamatrezeptoren kann zum Absterben von Neuronen führen, ein Prozess, der mit Schlaganfall, Schädel-Hirn-Trauma und bestimmten neurodegenerativen Erkrankungen in Verbindung gebracht wird. Medikamente, die die Glutamatübertragung modulieren, werden derzeit im Hinblick auf Depressionen, Schizophrenie und zur Verbesserung der kognitiven Fähigkeiten erforscht.

Wenn ein Neuron ein anderes schnell erregt, ist Glutamat üblicherweise der Botenstoff.