Langtidspotensiering er en varig økning i styrken på synaptisk overføring som følger kort, høyfrekvent stimulering av en signalvei. Det er allment ansett som en cellulær mekanisme som ligger til grunn for læring og hukommelse.

Når et presynaptisk nevron raskt og gjentatte ganger sender signaler mot et postsynaptisk nevron, blir synapsen mer effektiv. Etterfølgende signaler produserer større postsynaptiske responser. Prosessen er sterkt avhengig av NMDA-reseptorer, som bare tillater kalsium å komme inn når den postsynaptiske cellen allerede er depolarisert. Kalsium utløser molekylære kaskader som setter inn flere AMPA-reseptorer i membranen og kan føre til strukturelle endringer som vekst av nye dendrittiske spines.

Langtidspotensiering har blitt studert mest i hippocampus, men lignende prosesser forekommer i andre hjerneområder. Blokkering av de molekylære trinnene i LTP svekker visse former for læring hos dyr; å forbedre dem kan forbedre ytelsen. Fenomenet danner en konkret bro mellom erfaring og varig endring i nevrale kretser.

Når en synapse husker nylig intens aktivitet ved å bli sterkere, er det langsiktig potensering på spill.