即使是最基本的知识，也要完全依赖于大脑存储和检索信息这个谜一般的过程。没有记忆，我们所熟悉的生活就会消失掉。我们会没有观念、没有喜怒哀乐。
不论大脑怎样工作，有一点是肯定的：它绝不像电脑、录像带或我们能想象到的任何其他硬件那样规整。电脑不过利用一串0和1来编码数据，人脑却会生成转瞬即逝的化学和电子脉冲样式。电脑像索引卡片一样，按顺序记录信息，人脑却生成四面蔓延的联接：1000多亿个神经细胞，每一个都与几十万个其他细胞相连，形成了上百亿亿个联接。与任何机械器件相比，人脑既杰出得多，也易犯错误得多。人脑的跳跃性洞察力是电脑所无能为力的，但是人脑同时也不可救药地善于歪曲、臆造和遗忘。
记录大脑中血液流量增减的扫描表明，记忆并不是像电脑字节那样分区储存的。在大脑中存在着区域性“特长”：对规则动词和不规则动词，对骆驼的图像和扳手的图像，对一件物体的颜色和它的功用，大脑是分别利用不同的细胞群来处理的。但是一个记忆或思想会同时激活大脑的许多不同部位。当外部世界的信息通过感官涌入时，连接脑细胞之间神经冲动的血液信号会迅速传遍大脑。当同样的信息再次输入时，这些化学联接得到了强化，同样的信号会更迅速地传至目的区，并且会被所有这些细胞认出是曾经接受过的。大脑学专家丹尼尔 · 阿尔康认为，储存的记忆，就是一系列化学变化形成了一个特别的神经元“集合”。每个集合内部数目庞大的相互联接，也许能解释为什么一个片断记忆——某个词、某种颜色或气味——就能激活整个记忆。
化学信号是记忆形成的关键，这一点可以为对鼠类、果蝇和海蛞蝓等生物的研究所证明。只要改变大脑与神经传递有关的蛋白质的摄入，记忆过程就会产生变化。摄入超剂量的脑蛋白CREB的果蝇，受到一次电击以后，就能够学会对电击处避而远之，而正常的果蝇需要平均受电击10次才能做到这一点。如果阻止CREB或另一种蛋白BDNF的摄入，这些动物则几乎无法形成持久的记忆。被剥夺了BDNF的老鼠，会在迷宫里漫无目标地乱走，直至饿死，而正常的老鼠早已记住了通向食物的捷径。
但是，人脑中一种现象大大增加了记忆的复杂性，那就是记忆有许多不同的种类。比如受到脑创伤的不幸者，会表现出奇异的症状。在人脑中有一区域称为“海马区”，许多损伤了这一区域的患者，只能记住受伤前的事，却记不住受伤后发生的事。海马区似乎是一个中枢，所有新的经历在形成记忆之前都要通过这里。该区域受损后，患者真正成了过去的俘虏。但他们也能学会新的技艺，如高尔夫球或桥牌。他们每次都会有所长进，不过始终会认为自己是第一次接触这种游戏——技艺培养是一种独特的记忆，是由另一个不同的脑区域控制的。而有一些损伤了所谓基本神经中枢区的患者，其症状恰恰相反：他们会把某项技艺，例如弹钢琴，练习100次，对上课的经历记得清清楚楚，而弹奏技术却毫无进步。
大脑损伤造成的部分记忆丧失有多种不同的变化，研究人员认为，大脑至少有5个并行的记忆体系。有一个微小的杏仁状大脑区域称为扁桃区，如果受损，患者会失去记忆情感的能力。英国研究人员曾经发现3个脑部受损的儿童，他们记不住有关自己的事，却能记住一般的事情，比如英国女王是谁。一个名叫尼尔的10多岁男孩的情况更是令人惊奇：脑瘤破坏了他形成新的记忆能力，至少形不成他可以说出的记忆。在被问及放学回家路上的见闻时，他回答说不知道。而当被要求写下他的见闻时，他能够正确地报告所看到的郁金香和注意到的人，尽管在这之后他会问：“我写了什么？”并且为自己刚刚亲手写下的经历而感到吃惊。
即使是百分之百正常和健康人的记忆，也显得变化无常，从中足以看出其无穷的复杂性。例如，当人们被要求回忆一个事实，如近期一台晚会上有多少人时，他们往往“看到”自己身在其境；当被问及对晚会的感觉如何时，他们的视角会立即转换，变为用自己的眼光来“审视”记忆。记住一个月中每天的下班乘车经过，简直是不可能的，或许是为提高记忆效率而把一种反复的行为融入“乘车”的一类记忆了。
即使我们自认为记得很清楚时，记忆也并不像完美无缺的照片，而是更像从几根骨头还原成的恐龙模型。美国哈佛大学记忆专家丹尼尔 · 沙克特认为，人们回忆的时候，就好像考古学家从一些遗迹重塑出一个个场景。研究人员曾经从美国纽约的现代艺术博物馆中取走一幅名画，并对天天与画打交道的馆内工作人员进行了测试，结果发现每个人只能记住该画的某些方面：馆长记住的是画的主题，维护人员主要记住了画的尺寸和清洁难度，保安人员记得画颜色鲜艳。没有一个人能全面描述这幅画。
这样的反常现象，使得对大脑工作机理的研究复杂化，但也提供了重要线索。不过在目前，所有这些线索都仅仅是诱人的提示。用于扫描大脑的摄影技术还远远不能定位某个记忆的存在位置，它们分别不出大脑的相邻区域，而且速度太慢，也捕捉不到高速运行中的神经元的闪动。即使我们能够收集到所有这些数据，我们仍然面对更复杂的问题，那就是记录1000亿个神经元的活动，并弄清它们之间几亿亿个联接的实质。
[Popular Science，2001年第7期]