Die Effektivität der synaptischen Übertragung ist nicht konstant. Aktivität kann Synapsen für Zeiträume von Sekunden bis hin zu einem ganzen Leben stärken oder schwächen. Diese synaptische Plastizität gilt weithin als ein primärer zellulärer Mechanismus für Lernen und Gedächtnis.

Langzeitpotenzierung und Langzeitdepression sind die am besten charakterisierten Formen. Sie hängen von Zeitpunkt und Intensität der prä- und postsynaptischen Aktivität ab, erfordern häufig einen Kalziumeinstrom durch NMDA-Rezeptoren und verändern letztlich die Anzahl oder Eigenschaften postsynaptischer Rezeptoren sowie die Struktur dendritischer Dornen. Kurzfristigere Formen wie Fazilitation und Depression beeinflussen die Informationsverarbeitung im Zeitrahmen des laufenden Verhaltens.

Plastizität ist selbst plastisch: Neuromodulatoren, Entwicklungsstadium und Vorgeschichte beeinflussen, wie leicht sich Synapsen verändern. Eine Fehlregulation der Plastizität wird mit Suchterkrankungen, chronischen Schmerzen und Entwicklungsstörungen in Verbindung gebracht. Die experimentelle Induktion und Blockierung von Plastizität sind weiterhin zentrale Instrumente, um zu prüfen, ob bestimmte synaptische Veränderungen für das Verhaltenslernen notwendig sind.

Ein paar gut getimte Impulse können eine Synapse über Stunden messbar verändern.