OBJETIVO: Revisar a estrutura e o funcionamento do sistema colinérgico central ressaltando seu papel na fisiologia e na fisiopatologia das doenças de Alzheimer e Parkinson, esquizofrenia, epilepsia e tabagismo. MÉTODO: Foi realizada uma pesquisa bibliográfica no MedLine, LILACS, PubMed e ISI, e na Biblioteca da Fundação Oswaldo Cruz, RJ, selecionando-se o período de 1914 a 2009, utilizando os descritores: "receptors", "cholinergic", "Alzheimer disease", "schizophrenia", "epilepsy" e "smoking", além de referências cruzadas dos artigos selecionados e análise adicional de referências na literatura específica do tema. RESULTADOS: Efeitos importantes da ativação de receptores colinérgicos nicotínicos e muscarínicos sobre o desenvolvimento do sistema nervoso central (SNC) têm sido descritos. A dessensibilização e a internalização dos receptores acoplados à proteína G mediadas pela ativação de proteínas cinases têm sido descritas em proliferação, diferenciação e morte celular, além de síndromes neuropsiquiátricas. CONCLUSÃO: As informações produzidas a partir de estudos do sistema de neurotransmissão colinérgica podem auxiliar no desenvolvimento de medicamentos mais específicos para o tratamento da doença de Alzheimer, esquizofrenia, epilepsia e tabagismo.