Wanneer de actiepotentiaal het einde van een axon bereikt, dient het signaal doorgegeven te worden naar andere neuronen, naar spiercellen of naar kliercellen. Dit gebeurt ter hoogte van de synaps. Het neuron dat de actiepotentiaal naar de synaps brengt is de presynaptische cel, terwijl de cel die de boodschap ontvangt de postsynaptische cel genoemd wordt.
Tussen de presynaptische en postsynaptische cel bevindt zich een speelt, de synapsspleet. Het uiteinde van het presynaptisch axon is verdikt en bevat talrijke synaptische vesikels (blaasjes) met daarin de chemische boodschapper, de neurotransmitter. Bij aankomst van een actiepotentiaal gaan in de presynaptische membraan talrijke Ca2+ kanalen open en stroomt Ca2+ de cel binnen. Hierdoor wordt neurotransmitter afgegeven in de synapsspleet. Hoe vlugger de frequentie van de actiepotentialen, hoe meer neurotransmitter wordt vrijgesteld. Die beweegt door de synaptische spleet en bindt aan receptoreiwitten (ook ionenkanalen) in het postynaptische membraan. Als de transmitter de permeabiliteit voor Na+ verhoogt, dan werkt hij depolariserend en spreken we van een exciterende postsynaptische potentiaal: er ontstaat een nieuwe actiepotentiaal. Andere neurotransmitters verhogen de doorlaatbaarheid voor Cl– of K+ waardoor de postsynaptische mebraan hyperpolariseert. We spreken van een inhiberende postsynaptische potentiaal: een eventuele prikkel van die zenuwcel leidt dan niet tot polarisatie. Nadat de neurotransmitter het signaal heeft doorgegeven, wordt hij geïnactiveerd. Dit gebeurt enerzijds via afbraak van de neurotransmitter door specifieke enzymen in de synaptische spleet en anderzijds door heropname van de neurotransmitter ter hoogte van de presynaptische membraan. Signaaltransductie via chemische synapsen biedt veel mogelijkheden tot fijnregeling van de respons via ondermeer het veranderen van het aantal receptoren en de interactie met neuromodulators.
