L'acétylcholine est un messager chimique qui transmet des signaux à travers les synapses du système nerveux. Premier neurotransmetteur identifié, elle demeure l'une des plus polyvalentes.

Au niveau de la jonction neuromusculaire, elle déclenche la contraction musculaire. Dans le cerveau, elle intervient dans l'attention, l'apprentissage et la mémoire ; la perte progressive des neurones producteurs d'acétylcholine est une caractéristique de la maladie d'Alzheimer. Dans le système nerveux autonome, elle ralentit le rythme cardiaque et stimule la digestion. Différents types de récepteurs — nicotiniques et muscariniques — permettent à une même molécule de produire des effets différents selon le tissu.

Les médicaments qui augmentent le taux d'acétylcholine, comme ceux utilisés dans le traitement précoce de la maladie d'Alzheimer, peuvent légèrement améliorer les symptômes cognitifs. Les médicaments qui la bloquent, notamment certains antihistaminiques et antidépresseurs, peuvent provoquer une sécheresse buccale, une vision trouble et des troubles de la mémoire. La toxine produite par Clostridium botulinum empêche la libération d'acétylcholine et paralyse ainsi les muscles ; à doses contrôlées, elle est utilisée en médecine et en cosmétique.

L'acétylcholine illustre comment une seule substance chimique peut servir à la fois à l'acte moteur le plus simple et aux opérations mentales les plus complexes.