A acetilcolina (ACh) foi a primeira molécula a ser identificada como neurotransmissor. As áreas colinérgicas e colinoceptivas, tanto no sistema nervoso central como periférico, têm sido bem documentadas. A acetilcolina tem sido descrita para controlar, durante a embriogênese, a proliferação celular, bem como a sobrevivência e diferenciação de neurônios e células gliais. No adulto, a acetilcolina e seus receptores são distribuídos em muitos tecidos que não no sistema nervoso. Mais recentemente, novos papéis fisiológicos nos tecidos neuronais e não neuronais têm sido propostos para o ACh, bem como o seu possível envolvimento em diferentes patologias. Níveis alterados de expressão e função do ACh ou receptores modificados, em áreas selecionadas do sistema nervoso, têm sido descritos em várias doenças neurodegenerativas como Alzheimer, Parkinson e Huntington, bem como em distúrbios psiquiátricos como a esquizofrenia. Frequentemente, as deficiências cognitivas, comportamentais e motoras que caracterizam estas patologias estão correlacionadas com disfunções do circuito colinérgico. Além disso, o envolvimento do ACh como modulador da inflamação, dentro e fora do sistema nervoso, tem sugerido que suas funções alteradas podem representar um mecanismo patogênico adicional influenciando negativamente o resultado da doença, como sugerido recentemente na esclerose múltipla. A presente revisão irá focar a identificação da relação causa/efeito que pode explicar a disfunção colinérgica em vários distúrbios do sistema nervoso. Além disso, serão discutidas as possíveis novidades terapêuticas, incluindo inibidores de colinesterase, agonistas e antagonistas muscarínicos, e terapia genética.