Účinnost synaptické transmise není pevně daná. Aktivita může synapse posilovat nebo oslabovat na dobu od několika sekund až po celý život. Tato synaptická plasticita je všeobecně považována za primární buněčný mechanismus učení a paměti.

Dlouhodobá potenciace a dlouhodobá deprese jsou nejlépe charakterizované formy. Závisí na načasování a intenzitě pre- a postsynaptické aktivity, často vyžadují přísun vápníku přes NMDA receptory a v konečném důsledku mění počet nebo vlastnosti postsynaptických receptorů a strukturu dendritických spinů. Krátkodobější formy, jako je facilitace a deprese, ovlivňují zpracování informací v časovém horizontu probíhajícího chování.

Plasticita je sama o sobě plastická: neuromodulátory, vývojové stádium a předchozí anamnéza ovlivňují, jak rychle se synapse mění. Dysregulace plasticity se pojí se závislostí, chronickou bolestí a vývojovými poruchami. Experimentální indukce a okluze plasticity zůstávají ústředními nástroji pro testování, zda jsou konkrétní synaptické změny nezbytné pro behaviorální učení.

Několik dobře načasovaných impulzů může zanechat synapsi měřitelně změněnou na celé hodiny.