Las neuronas se comunican en sinapsis, o uniones, para excitar o inhibir la actividad de otras neuronas o células diana, como los músculos. Las sinapsis pueden ser químicas o eléctricas.

La mayoría de las sinapsis son químicas. Eso significa que un impulso eléctrico —o potencial de acción— estimula la liberación de mensajeros químicos. Estos mensajeros químicos también se llaman neurotransmisores. La neurona que envía la señal se llama neurona presináptica. La neurona que recibe la señal es la neurona postsináptica.

La neurona presináptica dispara un potencial de acción que viaja a través de su axón. El extremo del axón, o terminal de axón, contiene vesículas llenas de neurotransmisores. El potencial de acción abre canales de iones de calcio cerrados por voltaje en la membrana terminal de axón. Ca²⁺ entra rápidamente en la célula presináptica (debido a la mayor concentración externa de Ca^2+), lo que permite que las vesículas se fusionen con la membrana terminal y liberen neurotransmisores.

El espacio entre las células presinápticas y postsinápticas se denomina hendidura sináptica. Los neurotransmisores liberados de la célula presináptica pueblan rápidamente la hendidura sináptica y se unen a los receptores en la neurona postsináptica. La unión de neurotransmisores instiga los cambios químicos en la neurona postsináptica, como abrir o cerrar canales iónicos. Esto, a su vez, altera el potencial de membrana de la célula postsináptica, por lo que es más o menos probable que dispare un potencial de acción.

Para terminar con la señalización, los neurotransmisores en la sinapsis son degradados por enzimas, reabsorbidos por la célula presináptica, difuminados o despejados por células gliales.

Las sinapsis eléctricas están presentes en el sistema nervioso tanto de invertebrados como de vertebrados. Son más estrechos que sus homólogos químicos y transfieren iones directamente entre las neuronas, lo que permite una transmisión más rápida de la señal. Sin embargo, a diferencia de las sinapsis químicas, las sinapsis eléctricas no pueden amplificar ni transformar señales presinápticas. Las sinapsis eléctricas sincronizan la actividad de las neuronas, lo que es favorable para controlar señales rápidas e invariables como el escape de peligro en calamares.

Las neuronas pueden enviar señales y recibirlas de muchas otras neuronas. La integración de numerosas entradas recibidas por las células postsinápticas determina en última instancia sus patrones de disparo potencial de acción.