著名的模式图：桑地牙哥·拉蒙卡哈画的脑中的海马的结构。他指出，记忆包括被强化的神经联系。
我们知道的一切都挤进了两耳之间1公斤左右的大脑里：关于这个世界的所有有用的和琐碎的事实的梗概；我们已经学会的每一种技能，从骑车到劝说被爱的人去掉某些恶习等等。记忆力使我们每个人都是独一无二的，并且它还使我们的生活得以连续。弄明白记忆是如何被储存在大脑里的，是了解我们自身必不可少的一步。
神经科学家们已经取得了巨大进步，他们识别了主要的脑部区域和一些可能的分子机理。不过，仍有许多重要的问题悬而未决，而且分子研究和全脑(即整个脑)研究之间还有巨大的裂痕尚待弥合。
1957年发表的一篇关于神经病人H.M的报告，通常被认定是现代记忆研究诞生的标志。H.M27岁时，为了使他摆脱慢性癫痫症的痛苦，医生们尽了最后的努力——用手术切除了他脑中的几大块颞叶。手术成功了，但手术后他却不能记起原来发生过的任何事情或他见过的任何人。这种情况显示，包括脑内海马状突起在内的颞叶内侧(medial temporal lobes，MTL)对形成新的记忆是至关重要的。通过对该病例进一步的检查，研究人员还发现，记忆并非巨石一块：交给H.M一个需要技巧的任务——倒着画画，结果呢？即便对先前的练习没有记忆，3天后其表现也稳步提高了。由此看来，就脑而言，记住什么事情怎样做和记住什么东西是什么并不是一回事。
借助动物实验和人脑成像技术，科学家们现在已经对多种记忆掌握了不少应用知识，而且对脑的哪些部分涉及到哪种记忆也略知一二。不过仍有一些研究空白。尽管确实证明MTL对陈述性记忆(也有人称为表述性记忆，即对事实和事件的回忆——译者注)的形成具关键作用，但是这个区域仍有不少谜团。在记忆编码和取出的过程中，该区域的各种成分是如何相互作用的？这个问题还没有解决。而且，MTL并不是陈述性记忆最终的贮藏库。这些记忆显然都要“归入”大脑皮层进行长期贮存，但这一过程是怎样发生的？这些记忆在大脑皮层中如何被表现出来？目前尚不清楚。
一个多世纪前，西班牙神经解剖学家桑地牙哥 · 拉蒙卡哈(Santiago Ramony Cajal，1852～1934，他获得了1906年诺贝尔生理学或医学奖；1904年他用实验证明神经元是神经系统的基本组成——译者注)指出：要形成记忆，就必须要求神经元加强彼此之间的联系。当时的神经科学教义认为，在成人的脑中不会产生新的神经元。因此，拉蒙卡哈就做了合理的假设：关键的变化一定发生在现有的神经元之间。直到目前，科学家们对这种变化可能是怎样发生的还几乎没有研究线索。
但是，从20世纪70年代至今，通过对神经系统组织离体块的研究，科学家识别了在记忆形成中起作用的一些分子的“宿主”。在很多物种中，如海参、果蝇和啮齿动物中，陈述性记忆和非陈述性记忆都牵涉到许多相同的分子，这表明记忆的分子机理被广泛保存着。从这项工作中还了解到关键的一点：短暂记忆(持续几分钟)包括化学修饰，这些修饰是用来加强神经元之间已存在的联系的，这种神经联系被称为“突触”；而长期记忆(持续几天或几周)就需要有蛋白质的合成，还可能需要构建新的突触。
把这项工作与全脑研究结合起来是一个巨大的挑战。联系二者的可能的桥梁是一个被称为“长期强化”(LTP)的过程。该过程是一种突触加强的过程，已经在啮齿动物海马结构的切片上仔细研究过。科学家们广泛认为，“长期强化”过程可能是记忆的生理基础。如果能够对这个观点——LTP的确是体内记忆形成的基础——给出结论性的证明，那将是一个重大的突破。
近来的研究已经发现，当一种动物在学习一项新任务时，其神经活动的模式会在后来的睡眠过程中“重演”。这能否在巩固记忆方面起作用？其他的研究工作显示，我们的记忆力并不像我们通常设想的那样值得信赖。记忆为何如此易变？有关的线索来自最近的研究，相关的研究使这个观点再次流行起来——记忆每次被从脑中取出时，它们易受到短暂的攻击，这种记忆在操作上是脆弱的观点曾经引起很大的争论。最后，那个“无新的神经元产生”的法则在20世纪90年代被接受了，关于此的争论随之偃旗息鼓。因为科学家证明：在人的一生中，脑中的海马实际上就是神经元的“托儿所”。这些新生的神经元支持学习和记忆到何种程度？目前尚不清楚。
科学家在果蝇的研究中识别出有助于记忆形成的分子