軸索終末
神経伝達物質が詰め込まれたシナプス小胞は、シナプス前側の軸索終末膜直下に密集している。軸索終末は、シナプス前細胞の神経伝達物質放出に特化した領域である。神経伝達物質は軸索終末と次の神経細胞の樹状突起との間のシナプス間隙と呼ばれる隙間へ放出され、シナプス後細胞の樹状突起の受容体を介して情報が受け取られる。神経細胞は互いに接触しているわけではないが、このようにシナプスを介して情報伝達を行うことができる。
神経伝達物質が詰め込まれるシナプス小胞は神経細胞内で形成され、軸索に沿って終末まで移動し、そこで膜にドッキングする。その後、カルシウムイオンによって引き起こされる生化学カスケードによって、小胞はシナプス前細胞膜と融合し、内容物がシナプス間隙へ放出される。この一連のイベントはカルシウムの流入後180 μs以内に生じる。より具体的には、カルシウムイオンが結合することでシナプス小胞タンパク質の動きが引き起こされ、その結果、小胞膜と細胞膜が融合した融合孔が形成され、シナプス間隙への神経伝達物質の放出が可能となる。軸索終末で生じるこの過程はエキソサイトーシスであり、細胞が分泌物を放出するために用いる機構である。こうした膜結合型小胞は細胞外環境へ分泌される可溶性物質の他にも、膜タンパク質や脂質を含んでおり、これらは細胞膜の構成要素となる。神経細胞の化学シナプスにおけるエンドサイトーシスはカルシウムイオンによって開始され、神経間でシグナルを伝達する機能を果たす。
カルシウムの結合によって蛍光特性が変化する色素を用いて脳内のシナプス活性を可視化する手法が開発されており、蛍光顕微鏡を用いてカルシウム濃度の変化、すなわちシナプス前細胞におけるカルシウムの流入を検出することができる。