El neurotransmisor principal es la acetilcolina. Desde el punto de vista funcional estos sistemas se relacionan con:

la memoria y el aprendizaje
las motivaciones
las percepciones
la atención
la regulación de funciones orgánicas
las funciones motoras y el movimiento
algunas patologías como el Alzheimer.

Sistemas colinérgicos en circuitos locales. Las neuronas se ubican principalmente en una estructura nerviosa donde interactúan con otros elementos nerviosos. Por ejemplo, interneuronas en el cuerpo estriado, o en el tubérculo olfatorio.

Sistemas colinérgicos de proyección. Las neuronas se ubican en un ganglio o núcleo desde donde proyectan a estructuras alejadas, extraganglionares.

Ejemplos: el complejo basal de cerebro anterior. las neuronas se ubican en el diferentes núcleos: el septal medial, el de la banda diagonal, el de la substancia innominada, el del campo preóptico magnocelular, el basalis. Desde ellos salen los axones de neuronas de proyección hasta el telencéfalo no-estriatal.

El complejo ponto-mesencefálico-tegmental: las neuronas se ubican en los núcleos peduncular del puente y laterodorsal del tegmentum para proyectar hasta el tálamo, el diencéfalo, la médula espinal, el cerebelo, el núcleo vestibular y a núcleos de nervios craneanos.