La potentialisation à long terme est une augmentation durable de la force de la transmission synaptique qui fait suite à une stimulation brève et à haute fréquence d'une voie neuronale. Elle est largement considérée comme un mécanisme cellulaire sous-jacent à l'apprentissage et à la mémoire.

Lorsqu'un neurone présynaptique émet des potentiels d'action rapides et répétés sur un neurone postsynaptique, la synapse devient plus efficace. Les signaux suivants produisent des réponses postsynaptiques plus importantes. Ce processus dépend fortement des récepteurs NMDA, qui permettent l'entrée de calcium uniquement lorsque la cellule postsynaptique est déjà dépolarisée. Le calcium déclenche des cascades moléculaires qui induisent l'insertion de nouveaux récepteurs AMPA dans la membrane et peuvent entraîner des modifications structurales telles que la croissance de nouvelles épines dendritiques.

La potentialisation à long terme (PLT) a été étudiée de manière approfondie dans l'hippocampe, mais des processus similaires se produisent dans d'autres régions cérébrales. Le blocage des étapes moléculaires de la PLT altère certaines formes d'apprentissage chez l'animal ; leur stimulation peut améliorer les performances. Ce phénomène établit un lien concret entre l'expérience et la modification durable des circuits neuronaux.

Lorsqu'une synapse se souvient d'une activité intense récente en devenant plus forte, c'est le phénomène de potentialisation à long terme qui est à l'œuvre.