De effectiviteit van synaptische transmissie is niet vaststaand. Activiteit kan synapsen versterken of verzwakken gedurende periodes variërend van seconden tot een leven lang. Deze synaptische plasticiteit wordt algemeen beschouwd als een primair cellulair mechanisme voor leren en geheugen.

Langdurige potentiëring en langdurige depressie zijn de best gekarakteriseerde vormen. Ze zijn afhankelijk van de timing en intensiteit van pre- en postsynaptische activiteit, vereisen vaak calciuminstroom via NMDA-receptoren en veranderen uiteindelijk het aantal of de eigenschappen van postsynaptische receptoren en de structuur van dendritische spines. Kortdurende vormen zoals facilitatie en depressie beïnvloeden de informatieverwerking op de tijdschaal van voortdurend gedrag.

Plasticiteit is zelf ook plastisch: neuromodulatoren, ontwikkelingsfase en eerdere ervaringen beïnvloeden allemaal hoe gemakkelijk synapsen veranderen. Een verstoring van de plasticiteit is in verband gebracht met verslaving, chronische pijn en ontwikkelingsstoornissen. Experimentele inductie en occlusie van plasticiteit blijven essentiële instrumenten om te testen of bepaalde synaptische veranderingen noodzakelijk zijn voor gedragsmatig leren.

Een paar goed getimede impulsen kunnen een synaps urenlang meetbaar veranderen.