Langzeitpotenzierung ist eine anhaltende Verstärkung der synaptischen Übertragung nach kurzer, hochfrequenter Stimulation eines Signalwegs. Sie gilt weithin als zellulärer Mechanismus, der dem Lernen und dem Gedächtnis zugrunde liegt.

Wenn ein präsynaptisches Neuron schnell und wiederholt auf ein postsynaptisches Neuron feuert, wird die Synapse effizienter. Nachfolgende Signale rufen stärkere postsynaptische Antworten hervor. Dieser Prozess ist stark von NMDA-Rezeptoren abhängig, die den Kalziumeinstrom nur dann ermöglichen, wenn die postsynaptische Zelle bereits depolarisiert ist. Kalzium löst molekulare Kaskaden aus, die weitere AMPA-Rezeptoren in die Membran einbauen und zu strukturellen Veränderungen wie dem Wachstum neuer dendritischer Dornen führen können.

Die Langzeitpotenzierung (LTP) wurde am umfassendsten im Hippocampus untersucht, doch ähnliche Prozesse finden auch in anderen Hirnregionen statt. Die Blockierung der molekularen Schritte der LTP beeinträchtigt bestimmte Lernformen bei Tieren; ihre Förderung kann die Leistung verbessern. Das Phänomen bildet eine konkrete Verbindung zwischen Erfahrung und dauerhafter Veränderung neuronaler Schaltkreise.

Wenn sich eine Synapse an eine kürzlich erfolgte intensive Aktivität erinnert, indem sie stärker wird, spricht man von Langzeitpotenzierung.