Der letzte gemeinsame Weg vom Nervensystem zum Skelettmuskel führt über das Motoneuron. Dessen Zellkörper liegt im Rückenmark oder Hirnstamm; sein Axon tritt über eine ventrale Wurzel oder einen Hirnnerv aus und bildet Synapsen mit den Muskelfasern an der neuromuskulären Endplatte.

Ein einzelnes Motoneuron und die von ihm innervierten Muskelfasern bilden eine motorische Einheit. Kleine motorische Einheiten ermöglichen eine feine Steuerung; große erzeugen größere Kraft. Motoneuronen integrieren Signale von sensorischen Afferenzen, Interneuronen und absteigenden Bahnen, bevor sie entscheiden, ob sie ein Aktionspotenzial auslösen. Ihre Aktionspotenzialfrequenz und Rekrutierungsreihenfolge bestimmen die Kraft und den Zeitpunkt der Muskelkontraktion.

Die Degeneration von Motoneuronen führt zur fortschreitenden Muskelschwäche bei amyotropher Lateralsklerose (ALS) und verwandten Erkrankungen. Auch Toxine und Autoimmunangriffe an der neuromuskulären Endplatte beeinträchtigen die motorische Funktion. Da Motoneuronen groß und gut zugänglich sind, dienen sie als Modellzellen zur Untersuchung von Erregbarkeit, synaptischer Übertragung und Krankheitsmechanismen.

Jede willkürliche Bewegung hängt letztlich von der zuverlässigen Aktivierung dieser Zellen ab.