Uzun süreli potansiyasyon, bir yolun kısa süreli, yüksek frekanslı uyarılmasını takiben sinaptik iletim gücünde kalıcı bir artıştır. Genellikle öğrenme ve hafızanın altında yatan hücresel bir mekanizma olarak kabul edilir.

Presinaptik bir nöron, postsinaptik bir nörona hızlı ve tekrarlayan bir şekilde sinyal gönderdiğinde, sinaps daha verimli hale gelir. Sonraki sinyaller daha büyük postsinaptik yanıtlar üretir. Bu süreç büyük ölçüde, postsinaptik hücre zaten depolarize olduğunda kalsiyumun içeri girmesine izin veren NMDA reseptörlerine bağlıdır. Kalsiyum, membrana daha fazla AMPA reseptörü yerleştiren moleküler basamakları tetikler ve yeni dendritik dikenlerin büyümesi gibi yapısal değişikliklere yol açabilir.

Uzun süreli potansiyasyon en kapsamlı şekilde hipokampusta incelenmiştir, ancak benzer süreçler beynin diğer bölgelerinde de meydana gelir. LTP'nin moleküler aşamalarının engellenmesi hayvanlarda belirli öğrenme biçimlerini bozar; bunların güçlendirilmesi ise performansı artırabilir. Bu fenomen, deneyim ile sinir devrelerinde kalıcı değişim arasında somut bir köprü kurar.

Bir sinaps, yakın zamanda yaşanan yoğun aktiviteyi hatırlayarak güçlendiğinde, uzun süreli güçlenme (long-term potansiyasyon) devreye girer.