เป็นสารสื่อประสาทตัวแรกที่ถูดค้นพบ ซึ่งถูกหลั่งจากปลายประสาทโดยมี โคลีน (choline) จากตับ เป็นสารตั้งต้นในการสังเครา์ะ์ห์ ปลายประสาทที่สร้างแอซิติลโคลีน (acetylcholine) จะดูดซึมโคลีน เข้าสู่ไซโตพลาสซึม (cytoplasm) โดยระบบตัวพาที่ใช้พลังงาน เพื่อรวมกับกลุ่มแอซิติลโคเอนไซม์เอ (acetyl CoA) โดยใช้เอนไซม์โคลีนแอซิติลทรานสเฟอเรส (choline acetyltransferase) ได้แอซิติลโคลีน (ดังภาพที่ 1) สะสมไว้ในกระเปาะเวสซิเคิล (vesicle) ที่ปลายแอกซอน เมื่อกระแสประสาทวิ่งมาถึงปลายประสาทจะเปิดช่องให้แคลเซึีียมไอออน (Ca⁺⁺) เข้าไปในปลายประสาท เพื่อช่วยดึงกระเปาะเวสซิเคิล ให้สัมผัสเยื่อหุ้มเซลล์แล้วหลั่งแอซิติลโคลีน หลายพันโมเลกุลผ่านช่องว่าง ซิแนปส์ ไปกระทำต่อรีเซปเตอร์ (receptor) ที่เยื่อหุ้มเซลล์ของเซลล์ถัดไป (เซลล์หลังซิแนปส์)

          แอซิติลโคลีน (acelylcholine) มีคุณสมบัติเป็นทั้งแบบกระตุ้นและแบบยับยั้้งขึ้นอยู่กับชนิดของรีเซปเตอร์ (receptors) ที่กระทำต่อแอซิลติลโคลีนนั้น ซึ่งเมื่อทำงานเสร็จ จะถูกทำลายอย่างรวดเร็วโดยแอซิติลโคลีนเอสเตอเรส ที่อยู่ตามผิวเยื่อหุ้มเซลล์ให้กลายเป็นโคลีน และกรดอเซติก นอกจากนี้โคลีนส่วนหนึ่งจะถูดดูดกลับเข้าปลายประสาทเพื่อใช้สังเคราะห์แอซิติลโคลีนใหม่

          บทบาทของแอซิติลโคลีนจะกระตุ้นหรือยับยั้งระบบประสาทส่วนกลาง (ขึ้นกับชนิดของรีเซปเตอร์) และทำหน้าที่เกี่ยวกับ การรับความรู้สึกเจ็บปวด ร้อน หนาว การรับรสชาติเกี่ยวข้องกับศูนย์คลื่นไส้อาเจียน สรีรวิทยาของการตี่น การนอน การฝัน และอาการซึมเศร้า