A potenciação a longo prazo é um aumento duradouro da força da transmissão sináptica que ocorre após uma estimulação breve e de alta frequência de uma via neuronal. É amplamente considerada um mecanismo celular subjacente à aprendizagem e à memória.

Quando um neurónio pré-sináptico dispara rápida e repetidamente num neurónio pós-sináptico, a sinapse torna-se mais eficiente. Os sinais subsequentes produzem respostas pós-sinápticas maiores. O processo depende fortemente dos receptores NMDA, que permitem a entrada de cálcio apenas quando a célula pós-sináptica já se encontra despolarizada. O cálcio desencadeia cascatas moleculares que inserem mais recetores AMPA na membrana e podem levar a alterações estruturais, como o crescimento de novas espinhas dendríticas.

A potenciação a longo prazo (LTP) foi estudada mais extensivamente no hipocampo, embora processos semelhantes ocorram noutras regiões do cérebro. O bloqueio das etapas moleculares da LTP prejudica certas formas de aprendizagem nos animais; o aperfeiçoamento destas etapas pode melhorar o desempenho. O fenómeno fornece uma ponte concreta entre a experiência e a mudança duradoura nos circuitos neurais.

Quando uma sinapse memoriza uma atividade intensa recente, tornando-se mais forte, a potenciação a longo prazo está em ação.