Skuteczność transmisji synaptycznej nie jest stała. Aktywność może wzmacniać lub osłabiać synapsy na okres od kilku sekund do całego życia. Ta plastyczność synaptyczna jest powszechnie uważana za główny mechanizm komórkowy uczenia się i zapamiętywania.

Długotrwałe wzmocnienie potencjacyjne i długotrwała depresja to najlepiej scharakteryzowane formy. Zależą one od czasu i intensywności aktywności pre- i postsynaptycznej, często wymagają napływu jonów wapnia przez receptory NMDA i ostatecznie zmieniają liczbę lub właściwości receptorów postsynaptycznych oraz strukturę kolców dendrytycznych. Formy krótsze, takie jak facylitacja i depresja, kształtują przetwarzanie informacji w skali czasowej trwającego zachowania.

Plastyczność sama w sobie jest plastyczna: neuromodulatory, etap rozwoju i wcześniejsza historia wpływają na to, jak łatwo zmieniają się synapsy. Dysregulacja plastyczności jest powiązana z uzależnieniem, przewlekłym bólem i zaburzeniami rozwojowymi. Eksperymentalne indukcja i okluzja plastyczności pozostają kluczowymi narzędziami do testowania, czy określone zmiany synaptyczne są niezbędne do uczenia się behawioralnego.

Kilka dobrze wymierzonych impulsów może pozostawić w synapsie zauważalne zmiany na wiele godzin.