Eficacitatea transmiterii sinaptice nu este fixă. Activitatea poate întări sau slăbi sinapsele pentru perioade cuprinse între câteva secunde și o viață întreagă. Această plasticitate sinaptică este considerată pe scară largă un mecanism celular principal pentru învățare și memorie.

Potențarea pe termen lung și depresia pe termen lung sunt formele cel mai bine caracterizate. Acestea depind de momentul și intensitatea activității pre- și postsinaptice, necesită adesea un influx de calciu prin receptorii NMDA și, în cele din urmă, modifică numărul sau proprietățile receptorilor postsinaptici și structura spinilor dendritici. Formele pe termen scurt, cum ar fi facilitarea și depresia, modelează procesarea informațiilor pe scara de timp a comportamentului în desfășurare.

Plasticitatea este în sine plastică: neuromodulatorii, stadiul de dezvoltare și istoricul anterior influențează cât de ușor se schimbă sinapsele. Disreglarea plasticității a fost implicată în dependență, durere cronică și tulburări de dezvoltare. Inducerea experimentală și ocluzia plasticității rămân instrumente centrale pentru a testa dacă anumite modificări sinaptice sunt necesare pentru învățarea comportamentală.

Câteva vârfuri bine sincronizate pot lăsa o sinapsă modificată considerabil timp de ore întregi.