長時程增強是指在短暫、高頻刺激神經路徑後，突觸傳遞強度持久增強的現象。它被廣泛認為是學習和記憶的細胞機制。

當突觸前神經元快速且反覆地向突觸後神經元發送訊號時，突觸的效率會提高。後續訊號會產生更強的突觸後反應。這一過程高度依賴NMDA受體，NMDA受體僅允許鈣離子在突觸後細胞去極化時進入細胞。鈣離子觸發一系列分子級聯反應，將更多的AMPA受體插入細胞膜，並可能導致結構變化，例如新樹突棘的生長。

長時程增強作用（LTP）在海馬體中研究最為廣泛，但類似的機轉也存在於其他腦區。阻斷LTP的分子步驟會損害動物的某些學習能力；而增強LTP則可以提高學習表現。這種現象為經驗與神經迴路的持久改變之間架起了一座具體的橋樑。

當突觸透過增強自身強度來記住最近的強烈活動時，這就是長期增強作用。