La potenciación a largo plazo es un aumento duradero en la fuerza de la transmisión sináptica que se produce tras una estimulación breve y de alta frecuencia de una vía neuronal. Se considera un mecanismo celular fundamental para el aprendizaje y la memoria.

Cuando una neurona presináptica activa de forma rápida y repetida una neurona postsináptica, la sinapsis se vuelve más eficiente. Las señales subsiguientes generan respuestas postsinápticas más intensas. Este proceso depende en gran medida de los receptores NMDA, que permiten la entrada de calcio únicamente cuando la célula postsináptica ya está despolarizada. El calcio desencadena cascadas moleculares que insertan más receptores AMPA en la membrana y pueden provocar cambios estructurales, como el crecimiento de nuevas espinas dendríticas.

La potenciación a largo plazo se ha estudiado con mayor profundidad en el hipocampo, aunque procesos similares ocurren en otras regiones cerebrales. El bloqueo de los pasos moleculares de la LTP perjudica ciertas formas de aprendizaje en animales; su potenciación puede mejorar el rendimiento. Este fenómeno establece un vínculo concreto entre la experiencia y el cambio duradero en los circuitos neuronales.

Cuando una sinapsis recuerda una actividad intensa reciente fortaleciéndose, se produce la potenciación a largo plazo.