Cho đến đầu thế kỉ 20, các nhà khoa học vẫn cho rằng phần lớn sự liên lạc giữa các xi-náp trong não là do điện. Tuy nhiên, Ramón y Cajal (1852–1934) nhờ sự khảo sát mô học kĩ càng đã phát hiện ra giữa các nơ-ron có một khe hở rộng từ 20 đến 40 nm, mà ngày nay chúng ta gọi là khe xi-náp. Sự tồn tại của khe hở này dẫn đến suy đoán rằng sự liên lạc giữa các xi-náp diễn ra là do các tín hiệu hóa học được truyền qua khe xi-náp, và vào năm 1921 nhà dược lý học người Đức Otto Loewi (1873–1961) xác nhận rằng các nơ-ron có thể liên lạc với nhau bằng cách giải phóng các chất hóa học. Qua một chuỗi các thí nghiệm trên dây thần kinh phế vị (dây thần kinh lang thang) của ếch, Loewi đã làm chậm nhịp tim của ếch bằng cách kiểm soát lượng dung dịch muối hòa tan có mặt xung quanh dây thần kinh phế vị. Trong quá trình hoàn thành thí nghiệm trên, Loewi đã khẳng định rằng sự điều hòa hoạt động của tim của hệ thần kinh giao cảm có thể được thay thế bằng sự thay đổi nồng độ các chất hóa học. Ngoài ra, Otto Loewi được xem là người đã phát hiện ra acetylcholine (ACh)—chất dẫn truyền thần kinh đầu tiên được phát hiện.[4] Tuy nhiên, một vài nơ-ron thì liên lạc với nhau qua các xi-náp điện được thông nối với nhau qua các khe tiếp hợp (gap junction), cho phép các ion nhất định khuếch tán trực tiếp từ tế bào này qua tế bào khác.[5]