W układzie nerwowym informacje przepływają z komórek nerwowych, zwanych neuronami, do innych komórek nerwowych lub komórek nieneuronalnych za pomocą wyspecjalizowanego połączenia zwanego synapsą. Składniki synapsy obejmują zakończenie presynaptyczne, zakończenie postsynaptyczne i szczelinę synaptyczną, czyli 20-nanometrową (7.874015748 x 10-7 cali) przerwę między komórkami. Kiedy impuls nerwowy dociera do zakończenia presynaptycznego, neuron presynaptyczny uwalnia małe pakiety lub pęcherzyki z neuroprzekaźnikami chemicznymi do szczeliny synaptycznej. Substancje chemiczne dyfundują przez szczelinę synaptyczną i wiążą się z zakończeniem postsynaptycznym, na którym znajdują się receptory dla sygnalizującej substancji chemicznej. Sygnał nerwowy nie może przechodzić bezpośrednio przez szczelinę synaptyczną; raczej wiązanie neuroprzekaźnika z komórką postsynaptyczną powoduje napływ sodu do komórki, który inicjuje kolejny sygnał nerwowy.
Istnieje kilka przyczyn szczeliny synaptycznej. Po pierwsze, luka zapewnia, że sygnał informacyjny porusza się tylko w jednym kierunku. Po drugie, szczelina synaptyczna umożliwia jednemu neuronowi komunikowanie się z kilkoma komórkami postsynaptycznymi lub odwrotnie, kilkoma neuronami na zbieżność sygnału do jednej komórki postsynaptycznej. Pozwala to organizmowi na szybkie rozesłanie sygnału lub dodanie ich do siebie w celu uzyskania stopniowanej odpowiedzi. Wreszcie, powtarzające się bodźce tła, takie jak kontakt między ubraniem a skórą, mogą zużywać zapas neuroprzekaźnika w neuronie presynaptycznym, zapobiegając przechodzeniu niepotrzebnego sygnału przez szczelinę.
Synapsy zawierają jeden z dwóch kluczowych neuroprzekaźników. Zarówno w ośrodkowym, jak i obwodowym układzie nerwowym acetylocholina służy jako główna cząsteczka sygnałowa w szczelinie synaptycznej. Receptory acetylocholiny aktywują mięśnie szkieletowe i różne komórki nerwowe w przywspółczulnym układzie nerwowym. Noradrenalina, inny kluczowy neuroprzekaźnik, działa głównie w obrębie współczulnego układu nerwowego, biorąc udział w pośredniczeniu w reakcjach typu „walcz lub uciekaj”.
Ludzkie ciało zawiera pięć typów synaps, z których każdy ma inny neuroreceptor i neuroprzekaźnik w szczelinie synaptycznej. Połączenia nerwowo-mięśniowe między komórkami nerwowymi a komórkami mięśniowymi stymulują mięsień i wywołują skurcz mięśnia poprzez uwalnianie acetylocholiny w szczelinie synaptycznej. Pobudzające i hamujące synapsy kanałów jonowych odpowiednio pobudzają lub hamują impuls nerwowy. Synapsy bezkanałowe powodują wytwarzanie w komórce postsynaptycznej substancji chemicznych przekaźnikowych. Rzadka synapsa, zwana synapsą elektryczną, dzieli niektóre białka z sąsiednimi komórkami przez bezpośredni kontakt.
Leki, zarówno lecznicze, jak i rekreacyjne, wywołują efekty poprzez włączanie i wyłączanie synaps w ludzkim ciele. Na przykład amfetamina, ecstasy, kokaina i kofeina działają poprzez promowanie uwalniania noradrenaliny do synaps w całym ciele, działając pobudzająco. Z drugiej strony alkohol, marihuana i benzodiazepiny, takie jak Valium, sprzyjają uwalnianiu kwasu gamma-aminomasłowego (GABA), który działa uspokajająco. Leki działają naśladując działanie neuroprzekaźników, blokując wiązanie neuroprzekaźników lub zamykając kanały jonowe, na które normalnie wpływają neuroprzekaźniki.