Acetylocholina (ACh) to ester kwasu octowego i choliny, powstaje z acetylokoenzymu A i choliny w neuronach cholinergicznych, z udziałem acetylotransferazy cholinowej. Jej układ składa się z dwóch rodzin receptorów – muskarynowych i nikotynowych. Główne funkcje acetylocholiny to kontrola skurczu mięśniowego, wpływ na koncentrację, pamięć i zdolność do uczenia się. Reprezentuje przywspółczulny układ nerwowy (ten od odpoczynku) – obniża ciśnienie krwi, hamuje akcję serca, zwęża źrenice i wpływa na aktywność układu trawiennego i wydalniczego, pobudzając ślinianki, wzmagając ruchy perystaltyczne jelit i inicjując skurcze pęcherza moczowego. Rozkładana jest błyskawicznie przez enzym acetylocholinoesterazę, tworząc cholinę i kwas octowy. Substancje będące inhibitorami acetylocholinoesterazy zwiększają jej dostępność w synapsach i pozwalają nasilić jej działanie.

Nadmiar acetylocholiny jest bardzo nieprzyjemny w skutkach. Objawia się m.in. sztywnością karku, nudnościami, wymiotami, zawrotami głowy, rozkojarzeniem.

Pewne leki, ale i trucizny działają antycholinergicznie, czyli w jakiś sposób blokując działanie acetylocholiny, zazwyczaj zmniejszając jej wyrzut do szczelin synaptycznych lub blokując jej receptory. Najpopularniejsze to atropina i skopolamina, które w badaniach naukowych są wykorzystywane do wywoływania amnezji u zwierząt laboratoryjnych. Co ciekawe, również botoks (toksyna botulinowa) zmniejsza wyrzut acetylocholiny z zakończeń nerwowych. Przez to zmniejsza się pobudliwość mięśni w okolicy iniekcji, co jest wykorzystywane m.in. do zmniejszania widocznych zmarszczek, ale też w celach typowo leczniczych.

Podnoszenie poziomu acetylocholiny to jeden z głównych targetów osób początkujących w temacie nootropów. W tym celu stosuje się głównie substancje takie jak Alpha GPC i Hupercyna A. Inne nootropy optymalizuja użycie acetylocholiny, wśród nich wymieniamy m.in. noopept i racetamy.