神經調節是給定神經元使用一種或多種化學物質來調節不同神經元群體的生理過程。神經調節劑通常與代謝型G蛋白偶聯受體(GPCR)結合以啟動第二信使信號級聯，從而誘導廣泛、持久的信號。這種調制可以持續數百毫秒到幾分鐘。神經調節劑的一些作用包括：改變內在放電活動、增加或減少電壓依賴性電流、改變突觸功效、增加突發活動和重新配置突觸連接。

中樞神經系統中的主要神經調節劑包括：多巴胺、血清素、乙酰膽堿、組胺、去甲腎上腺素、一氧化氮和幾種神經肽。大麻素也可以是強大的中樞神經系統神經調節劑。神經調節劑可以包裝成囊泡并由神經元釋放，作為激素分泌并通過循環系統傳遞。神經調節劑可以概念化為神經遞質不會被突觸前神經元重新吸收或分解成代謝物。一些神經調節劑最終會在腦脊液(CSF)中花費大量時間，從而影響（或“調節”）大腦中其他幾個神經元的活動。

主要的神經遞質系統是去甲腎上腺素（去甲腎上腺素）系統、多巴胺系統、血清素系統和膽堿能系統。針對此類系統的神經遞質的藥物會影響整個系統，并解釋許多藥物的作用方式。

另一方面，大多數其他神經遞質，例如谷氨酸、GABA和甘氨酸，在整個中樞神經系統中非常普遍地使用。

神經調節劑可以通過作用于相關輸入（例如，中央模式發生器）來改變生理系統的輸出。然而，建模工作表明僅此是不夠的，因為從神經輸入到肌肉輸出的神經肌肉轉換可能會針對特定的輸入范圍進行調整。斯特恩等人。(2007)建議神經調節劑不僅必須作用于輸入系統，而且必須改變轉換本身，以產生適當的肌肉收縮作為輸出。

神經遞質系統是大腦中表達某些類型神經遞質的神經元系統，因此形成不同的系統。該系統的激活會對大腦的大容量產生影響，稱為容量傳輸。體積傳遞是神經遞質通過大腦細胞外液的擴散，這些細胞外液在可能遠離靶細胞的點釋放，從而激活突觸外受體，并且比在單個突觸上的傳遞具有更長的時間過程。與相位傳輸相比，這種延長的發射器動作稱為強直傳輸這在單個突觸處迅速發生。

神經調節也指一類新興的醫學療法，其目標是神經系統恢復功能（如人工耳蝸）、緩解疼痛或控制癥狀，如帕金森病等運動障礙中的震顫。治療主要包括靶向電刺激，或使用鞘內藥物輸送將藥物注入腦脊液，例如用于痙攣的巴氯芬。電刺激設備包括深部腦刺激系統(DBS)，俗稱“腦起搏器”、脊髓刺激器(SCS)和迷走神經刺激器（VNS），使用微創手術植入，或完全外部的經皮電神經刺激裝置等。