Acetylocholina to chemiczny przekaźnik, który przenosi sygnały przez synapsy układu nerwowego. Był to pierwszy zidentyfikowany neuroprzekaźnik i pozostaje jednym z najbardziej wszechstronnych.

W złączu nerwowo-mięśniowym wywołuje skurcze mięśni. W mózgu wspomaga uwagę, uczenie się i pamięć; postępująca utrata neuronów produkujących acetylocholinę jest cechą charakterystyczną choroby Alzheimera. W układzie autonomicznym spowalnia pracę serca i stymuluje trawienie. Różne typy receptorów – nikotynowe i muskarynowe – pozwalają tej samej cząsteczce wywoływać różne efekty w zależności od tkanki.

Leki zwiększające poziom acetylocholiny, takie jak te stosowane we wczesnym leczeniu choroby Alzheimera, mogą nieznacznie poprawić objawy poznawcze. Leki blokujące acetylocholinę, w tym niektóre leki przeciwhistaminowe i przeciwdepresyjne, mogą powodować suchość w ustach, niewyraźne widzenie i zamglenie pamięci. Toksyna wytwarzana przez Clostridium botulinum hamuje uwalnianie acetylocholiny, a tym samym paraliżuje mięśnie; w kontrolowanych dawkach jest stosowana w medycynie i kosmetyce.

Acetylocholina jest przykładem tego, jak pojedyncza substancja chemiczna może pełnić zarówno funkcję najprostszej czynności motorycznej, jak i najbardziej złożonych operacji umysłowych.