Joncțiunea dintre 2 neuroni sau dintre un neuron și un efector (mușchi sau glandă) se numește sinapsă. Atunci când sinapsa se stabilește între un neuron și o celulă musculară, se numește sinapsă neuromusculară (placă motorie). Sinapsa prezintă la interior un spațiu denumit fantă sinaptică. Odată ajuns la capătul axonului, impulsul nervos nu poate sări peste fanta sinaptică. Astfel, pentru a transmite mesajul către următorul neuron, mușchi sau glandă, este necesar un mecanism chimic: impulsul nervos ajuns la butonii terminali ai axonului, stimulează eliberarea de substanțe chimice, numite neurotransmițători. Aceștia difuzează rapid prin fanta sinaptică și determină modificări ale permeabilității următorului neuron. În cazul în care moleculele de neurotransmițători sunt suficiente, are loc depolarizarea dendritelor următorului neuron și propagarea mai departe a impulsului nervos nou format.
Neurotransmițătorii se află în butonii terminali ai axonilor, stocați în vezicule delimitate de o membrană, denumite vezicule sinaptice. Sinteza neurotransmițătorilor este continuă. Atunci când impulsul nervos ajunge la butonul terminal al axonului, se deschid canalele de calciu voltaj-dependente și are loc un influx de ioni de calciu în interiorul axonului, proces care la nivelul membranei presinaptice declanșează eliberarea neurotransmițătorilor din veziculele sinaptice prin exocitoză.
După difuzarea neurotransmițătorilor în fanta sinaptică, aceștia o traversează și apoi se leagă la nivelul receptorilor aflați pe membrana dendritelor următorului neuron (membrana postsinaptică). Receptorii de la acest nivel sunt molecule proteice care alcătuiesc canale ionice care se deschid și favorizează intrarea în dendrită a ionilor de sodiu. În condițiile existenței unui influx de sodiu suficient, are loc depolarizarea și generarea unui nou impuls nervos.
Sunt numeroase tipuri variate de neurotransmițători (sunt peste 50 de tipuri), dintre care cel mai cunoscut este acetilcolina. Eliberarea ei are loc la nivelul joncțiunii neuromusculare, de către neuronii care inervează mușchii scheletici, cu scopul de a declanșa contracția musculară.
Totodată, acetilcolina este eliberată și de unii neuroni vegetativi ai SNP și de unii neuroni din encefal. După legarea ei de receptori, este descompusă de colinesterază (o enzimă) în interiorul sinapsei. În acest fel stimulul are o durată scurtă. Cu scopul de a fi refolosiți, alți neurotransmițători sunt recuperați prin procesul de endocitoză (nu și acetilcolina). Noradrenalina (norepinefrina), alt neurotransmițător bine cunoscut, este eliberată de către neuronii simpatici (intervine în declanșarea reacției „luptă sau fugi”), de numeroși neuroni din encefal și măduva spinării. Adrenalina (epinefrina) și dopamina sunt alți neurotransmițători, care împreună cu noradrenalina fac parte din clasa de substanțe organice denumite catecolamine. Serotonina, glutamat, glicina și endorfinele – sunt alți neurotransmițători.
Câteva caracteristici ale neurotransmițătorilor ar fi:
- unii sunt inhibitori;
- unii sunt identici cu hormonii secretați de glandele endocrine;
- sunt produși în zone diferite ale SN: de exemplu, glutamatul este sintetizat în special în cortexul cerebral; glicina este produsă mai ales în măduva spinării;
- unii excită neuronul postsinaptic și determină depolarizări și impulsuri nervoase, numite potențiale postsinaptice excitatorii (PPSE);
- unii inhibă apariția impulsurilor nervoase în neuronul postsinaptic, menținând canalele de sodiu închise; astfel, prin această inhibare apar potențiale postsinaptice inhibitorii (PPSI);
Proprietățile unor neurotransmițători sunt cuprinse în tabelul de mai jos:
| Neurotransmițător | Localizare | Acțiune |
| Acetilcolina | joncțiuni neuromusculare, sistemul nervos vegetativ (SNV), encefal | excită mușchii, încetinește ritmul cardiac, transmite diverse semnale în SNV și în encefal |
| Noradrenalina (norepinefrina) | sistemul nervos simpatic (SNS), encefal | reglează activitatea viscerelor și unele funcții cerebrale |
| Dopamina | encefal | implicată în controlul unor funcții motorii |
| Serotonina | encefal, măduva spinării | poate fi implicată în funcții mentale, ritmul circadian, reglarea somnului și a stării de veghe |
| Acid gama-aminobutiric | encefal, măduva spinării | inhibă variați neuroni |
| Glicina | măduva spinării | inhibă variați neuroni |