Effektiviteten til synaptisk overføring er ikke fast. Aktivitet kan styrke eller svekke synapser i perioder fra sekunder til et helt liv. Denne synaptiske plastisiteten blir ansett som en primær cellulær mekanisme for læring og hukommelse.

Langsiktig potensiering og langvarig depresjon er de best karakteriserte formene. De avhenger av tidspunktet og intensiteten av pre- og postsynaptisk aktivitet, krever ofte kalsiumtilstrømning gjennom NMDA-reseptorer, og endrer til slutt antallet eller egenskapene til postsynaptiske reseptorer og strukturen til dendrittiske spines. Kortsiktige former som fasilitering og depresjon former informasjonsbehandling på tidsskalaen for pågående atferd.

Plastisitet er i seg selv plastisk: nevromodulatorer, utviklingsstadium og tidligere historie påvirker alle hvor lett synapser endrer seg. Dysregulering av plastisitet har blitt implisert i avhengighet, kroniske smerter og utviklingsforstyrrelser. Eksperimentell induksjon og okklusjon av plastisitet er fortsatt sentrale verktøy for å teste om bestemte synaptiske endringer er nødvendige for atferdslæring.

Noen få veltimede pigger kan etterlate en synapse målbart endret i flere timer.