Potensiasi jangka panjang adalah peningkatan kekuatan transmisi sinaptik yang berlangsung lama setelah stimulasi singkat dan frekuensi tinggi pada suatu jalur. Hal ini secara luas dianggap sebagai mekanisme seluler yang mendasari pembelajaran dan memori.

Ketika neuron prasinaptik mengirimkan impuls secara cepat dan berulang kali ke neuron pasinaptik, sinapsis menjadi lebih efisien. Sinyal selanjutnya menghasilkan respons pasinaptik yang lebih besar. Proses ini sangat bergantung pada reseptor NMDA, yang memungkinkan kalsium masuk hanya ketika sel pasinaptik sudah mengalami depolarisasi. Kalsium memicu kaskade molekuler yang memasukkan lebih banyak reseptor AMPA ke dalam membran dan dapat menyebabkan perubahan struktural seperti pertumbuhan duri dendritik baru.

Potensiasi jangka panjang telah dipelajari secara ekstensif di hipokampus, namun proses serupa terjadi di wilayah otak lainnya. Memblokir langkah-langkah molekuler LTP mengganggu bentuk pembelajaran tertentu pada hewan; meningkatkan langkah-langkah tersebut dapat meningkatkan kinerja. Fenomena ini memberikan jembatan konkret antara pengalaman dan perubahan permanen dalam sirkuit saraf.

Ketika sebuah sinapsis mengingat aktivitas intens yang baru saja terjadi dengan menjadi lebih kuat, maka potensiasi jangka panjang sedang bekerja.