Długotrwałe wzmocnienie synaptyczne to długotrwały wzrost siły przekazu synaptycznego, który następuje po krótkotrwałej, wysokoczęstotliwościowej stymulacji szlaku. Jest ono powszechnie uważane za mechanizm komórkowy leżący u podstaw uczenia się i pamięci.

Kiedy neuron presynaptyczny szybko i wielokrotnie wysyła impulsy na neuron postsynaptyczny, synapsa staje się bardziej wydajna. Kolejne sygnały generują silniejsze odpowiedzi postsynaptyczne. Proces ten w dużej mierze zależy od receptorów NMDA, które pozwalają jonom wapnia przedostać się do komórki postsynaptycznej dopiero po jej depolaryzacji. Wapń uruchamia kaskady molekularne, które wprowadzają do błony więcej receptorów AMPA i mogą prowadzić do zmian strukturalnych, takich jak wzrost nowych kolców dendrytycznych.

Długotrwałe wzmocnienie poznawcze zostało najdokładniej zbadane w hipokampie, jednak podobne procesy zachodzą w innych obszarach mózgu. Blokowanie molekularnych etapów LTP upośledza niektóre formy uczenia się u zwierząt; ich wzmocnienie może poprawić wydajność. Zjawisko to stanowi solidny pomost między doświadczeniem a trwałą zmianą w obwodach neuronalnych.

Kiedy synapsa zapamiętuje ostatnią intensywną aktywność, stając się silniejsza, ma miejsce długotrwałe wzmocnienie pobudzenia.