谷氨酸是哺乳动物大脑中主要的兴奋性神经递质。它能增加神经元放电的可能性，对快速突触传递、学习和记忆至关重要。

谷氨酸作用于多种受体，包括AMPA受体和NMDA受体。AMPA受体介导快速兴奋性突触后电位。NMDA受体需要谷氨酸和突触后去极化才能开放，在突触可塑性中发挥着关键作用。NMDA受体执行的同步检测被广泛认为是学习的细胞机制：当突触前和突触后活动同步时，钙离子进入细胞并触发持久性改变，从而增强突触。

谷氨酸过量具有毒性。谷氨酸受体过度激活会导致神经元死亡，这一过程与中风、创伤性脑损伤和某些神经退行性疾病有关。目前，一些调节谷氨酸传递的药物正在研究中，有望用于治疗抑郁症、精神分裂症和认知功能增强。

当一个神经元迅速兴奋另一个神经元时，谷氨酸通常是信使。