Glutaminian jest głównym neuroprzekaźnikiem pobudzającym w mózgu ssaków. Zwiększa prawdopodobieństwo aktywacji neuronu i jest niezbędny do szybkiej transmisji synaptycznej, uczenia się i zapamiętywania.

Glutaminian działa na kilka typów receptorów, w tym na receptory AMPA i NMDA. Receptory AMPA pośredniczą w szybkich pobudzających potencjałach postsynaptycznych. Receptory NMDA, które do otwarcia wymagają zarówno glutaminianu, jak i depolaryzacji postsynaptycznej, odgrywają kluczową rolę w plastyczności synaptycznej. Wykrywanie koincydencji przez receptory NMDA jest powszechnie uważane za komórkowy mechanizm uczenia się: gdy aktywność pre- i postsynaptyczna zbiega się, wapń wnika i wyzwala trwałe zmiany, które wzmacniają synapsę.

Nadmierna ilość glutaminianu jest toksyczna. Nadmierna aktywacja receptorów glutaminianu może niszczyć neurony, co jest związane z udarem mózgu, urazowym uszkodzeniem mózgu i niektórymi chorobami neurodegeneracyjnymi. Leki modulujące transmisję glutaminianu są badane pod kątem leczenia depresji, schizofrenii i poprawy funkcji poznawczych.

Kiedy jeden neuron szybko pobudza inny, przekaźnikiem jest zwykle glutaminian.