Acetilholin (ACh) ima pomembno vlogo pri stimulaciji mišic, spomina, mišljenja in učenja, prav tako pa uravnava spanje in emocije. Pomemben vpliv ima tudi na oblikovanje, shranjevanje in priklic spominov. Ravno zaradi tega ga intenzivno proučujejo zaradi zdravljenja Alzheimerjeve bolezni in demence.
Rahlo dvignjen nivo acetilholina vpliva na boljši spomin in sposobnost učenja, poleg tega pa povzroča podaljšanje REM faze spanja. Znižan nivo obratno vpliva na slab spomin (Alzheimerjeva bolezen), nezmožnost jasnega in logičnega mišljenja, utrujenost ter skrajšanje REM faze.
Vpliv acetilholina na spanje in sanjanje
ACh pomembno vpliva na uravnavanje spanja. Deluje obratno, kot serotonin – ko tonemo v spanec, njegov nivo pada vse do najglobljih ne-REM faz, nato pa se dviguje in doseže stopnjo, primerljivo z budnim stanjem, ko vstopimo v REM fazo. ACh močno vpliva na sanje, saj povzroča dolge in intenzivne sanje ter boljši spomin nanje. Prav tako lahko služi kot sprožilec za lucidno sanjanje.