Die Veränderung von Synapsen (sogenannte synaptische Plastizität) bildet die Grundlage des Lernens. Hierbei führt eine Veränderung von Synapsen zu einer Veränderung der Verschaltung der Neurone. Dies kann beispielsweise dazu führen, dass auf einen Reiz künftig schneller reagiert werden kann. Es sind grundlegend drei Mechanismen, die eine Synapse verändern können, um zu einem Lernvorgang beizutragen:
NMDA-Synapsen nehmen aufgrund ihres Aufbaus eine wichtige Rolle bei Lernprozessen ein und tragen somit zur Lernfähigkeit bei. Sie besitzen den Neurotransmitter Glutamat mit zwei dazu passenden Rezeptoren, zum einen die AMPA-Rezeptoren und zum anderen die NMDA-Rezeptoren.
Im „normalen Betrieb“ der Synapse sind nur die AMPA-Rezeptoren funktionstüchtig. Bindet Glutamat an diese, so öffnen sie sich und es strömt Natrium in die Zelle. Die NMDA-Rezeptoren hingegen sind im Grundzustand durch ein Magnesiumion blockiert.
Kommt es nun zu einer wiederholten und starken Transmitterausschüttung an der Synapse und einer entsprechend ausgeprägten Depolarisation der Postsynapse, so kann sich das Magnesiumion eines oder mehrerer NMDA-Rezeptoren lösen und der entsprechende Rezeptorkanal wird funktionsfähig. Somit kann auch der NMDA-Kanal durch Glutamat geöffnet werden und es strömen Natriumionen in die Zelle. Zusätzlich können durch den NMDA-Kanal aber auch Kalziumionen in die Zelle strömen. Diese tragen nicht nur zu einer Depolarisation bei, sondern führen auch zum vermehrten Einbau von AMPA-Rezeptoren in die Membran. Dieser zusätzliche Einbau kann zur Verstärkung künftiger Reize führen. Das Prinzip des Rezeptoreinbaus in die Membran beruht auf Second-messenger-Vorgängen.