El citoplasma a nivel de la membrana presináptica tiene mitocondrias, unos cuantos elementos de retículo endoplásmico liso y abundancia de vesículas sinápticas , ensambladas alrededor de la membrana presináptica (fig. 9-19t). Las vesículas sinápticas son estructuras esféricas (de 40 a 60 nm de diametro) que estan llenas de sustancia neurotransmisora elaborada y empacada, por lo general, cerca de la terminación axoniana. Sin embargo, los péptidos neurotransmisores se elaboran y empacan en el cuerpo celular y se transforman hacia la terminación axoniana por medio del transporte anterógrado. Las enzimas localizadas en el axoplasma protegen a los neurotransmisores contra la degradación.

También localizadas sobre el lado citoplásmico de la membrana presináptica se encuentra densidades de forma cónica que se proyectan desde la membrana hacia el citoplasma; parecen relacionarse con muchas de las vesículas sinápticas, y forman el sitio activo de la sinapsis. Las vesículas sinápticas relacionadas con el sitio activo se descargan en el momento de la estimulación. Hay vesículas sinápticas adicionales, que forman una reserva, y que se adhieren a los microfilamentos de actina. La sinapsina 1, pequeña proteina que forma un complejo con la superficie de las vesículas, parece ayudar a la agregación de las vesículas sinápticas que se conservan en reserva. Cuando se fosforila la sinapsina I, estas vesículas sinápticas quedan liberadas para moverse hacia la zona activa como preparación para la descarga del neurotransmisor; la desfosforilación de la sinapsina I invierte el proceso. La sinapsina II y otra pequeña proteina (rab 3ª) controlan la relación de las vesículas con los microfilamentos de actina.