Les neurones communiquent à des synapses, ou des jonctions, pour exciter ou inhiber l’activité d’autres neurones ou de cellules cibles, comme les muscles. Les synapses peuvent être chimiques ou électriques.

La plupart des synapses sont chimiques. Cela signifie qu’une impulsion électrique — ou un potentiel d’action — stimule la libération de messagers chimiques. Ces messagers chimiques s’appellent également des neurotransmetteurs. Le neurone qui envoie le signal est appelé le neurone présynaptique. Le neurone qui reçoit le signal est le neurone postsynaptique.

Le neurone présynaptique déclenche un potentiel d’action qui se déplace à travers son axone. L’extrémité de l’axone, ou le terminal de l’axone, contient des vésicules remplies de neurotransmetteurs. Le potentiel d’action ouvre des canaux d’ions calcium tensiodépendants dans la membrane du terminal de l’axone. Ca²⁺ pénètre rapidement dans la cellule présynaptique (en raison de la concentration externe supérieure de Ca²⁺), permettant aux vésicules de fusionner avec la membrane du terminal et de libérer des neurotransmetteurs.

L’espace entre les cellules présynaptique et postsynaptique s’appelle la fente synaptique. Les neurotransmetteurs libérés par la cellule présynaptique peuplent rapidement la fente synaptique et se lient aux récepteurs sur le neurone postsynaptique. La liaison des neurotransmetteurs provoque des changements chimiques dans le neurone postsynaptique, tels que l’ouverture ou la fermeture des canaux ioniques. Ceci, à son tour, modifie le potentiel membranaire de la cellule postsynaptique, ce qui la rend plus ou moins susceptible de déclencher un potentiel d’action.

Pour mettre fin à la signalisation, les neurotransmetteurs de la synapse sont dégradés par des enzymes, réabsorbés par la cellule présynaptique, diffusés au loin ou supprimés par des cellules gliales.

Des synapses électriques sont présentes dans le système nerveux des invertébrés et des vertébrés. Elles sont plus étroites que leurs équivalents chimiques et transfèrent les ions directement entre les neurones, permettant une transmission plus rapide du signal. Cependant, contrairement aux synapses chimiques, les synapses électriques ne peuvent pas amplifier ou transformer les signaux présynaptiques. Les synapses électriques synchronisent l’activité des neurones, ce qui est favorable au contrôle des signaux rapides et invariables tels que la fuite face au danger chez les calmars.

Les neurones peuvent envoyer des signaux à de nombreux autres neurones et les recevoir. L’intégration des nombreuses données reçues par les cellules postsynaptiques détermine finalement la forme du déclenchement de leurs potentiels d’action.