學習與記憶的神經科學跨越分子、突觸、迴路和系統多個層級。從 Kandel（2000 年諾貝爾獎）在海兔（Aplysia）上闡明記憶的分子機制，到 O'Keefe & Moser 夫婦（2014 年諾貝爾獎）發現的海馬迴空間記憶系統，這一領域持續產生範式轉移的發現。
突觸可塑性的分子機制
Bliss & Lømo（1973）在兔海馬迴發現 LTP，隨後的分子解構揭示了 NMDAR 依賴 LTP 的精密機制。NMDAR 作為巧合偵測器（需要突觸前麩胺酸釋放 + 突觸後去極化），Ca²⁺ 內流量決定可塑性方向：大量 Ca²⁺ 活化 CaMKII 誘導 LTP，少量 Ca²⁺ 優先活化 calcineurin（PP2B）誘導 LTD——這就是 BCM（Bienenstock-Cooper-Munro, 1982）理論預測的滑動閾值。
早期 LTP（E-LTP，持續 1-3 小時）涉及既有 AMPAR 的磷酸化（CaMKII 磷酸化 GluA1 Ser831 增加電導）和額外 AMPAR 的膜嵌入（PKA 磷酸化 Ser845 促進向突觸膜遞送；Huganir & Nicoll, 2013）。晚期 LTP（L-LTP，持續數小時至數天）需要 PKA → MAPK → CREB 依賴的基因轉錄和新蛋白質合成。Frey & Morris（1997）的「突觸標記與捕獲」（synaptic tagging and capture）假說解決了「細胞核合成的蛋白質如何精確送達特定突觸」的問題：活化的突觸設置局部「標記」（tag），捕獲後續合成的可塑性相關蛋白（PRPs）。
記憶痕跡（Engram）
Josselyn & Bhatt Tonegawa（2020）在 Science 的綜述總結了記憶痕跡的現代研究。Tonegawa 實驗室利用活動依賴標記（如 c-Fos-tTA 系統）和 optogenetics，在小鼠海馬迴 DG 中標記恐懼記憶形成時活化的神經元群體，並在事後以光遺傳學方式重新活化這些神經元，即可觸發恐懼行為——即使動物在完全不同的環境中（Liu et al., 2012）。更驚人的是，Ramirez et al.（2013）成功創造了「假記憶」：在安全環境中標記 DG 神經元，之後在恐懼制約時重新活化它們，導致動物在安全環境中也表現恐懼。
系統鞏固與記憶轉化
經典的標準鞏固理論（Squire & Alvarez, 1995）認為海馬迴暫時綁定皮質表徵，鞏固完成後皮質可獨立支持記憶提取。然而，多重痕跡理論（Nadel & Moscovitch, 1997）和轉化理論（Winocur & Moscovitch, 2011）認為海馬迴始終參與詳細情節記憶的提取，只有去情境化的語意記憶才能完全皮質化。Frankland & Bontempi（2005）在 Nature Reviews Neuroscience 的綜述提出鞏固涉及 mPFC 的逐漸參與，mPFC 最終形成「記憶索引」（memory index）取代海馬迴。
睡眠鞏固的機制涉及慢波睡眠期間的「尖波漣漪」（sharp-wave ripple, SWR，150-200 Hz）與新皮質慢振盪（< 1 Hz）和睡眠紡錘波（spindle, 12-15 Hz）的精確時序耦合。Girardeau et al.（2009）證實選擇性中斷 SWR 損害空間記憶鞏固。
記憶重新鞏固（Reconsolidation）
Nader et al.（2000）的開創性研究證實：已鞏固的記憶在被提取時會暫時進入不穩定狀態，需要再次蛋白質合成才能重新穩定——即「重新鞏固」。在提取後的窗口期（~6 小時）內施予蛋白質合成抑制劑（anisomycin）或 β-blocker（propranolol）可以弱化甚至擦除記憶。這一發現對 PTSD 治療有重要啟示：在受控環境中重新提取創傷記憶並在重新鞏固窗口進行藥物或行為介入（如暴露療法），可能修改記憶的情緒色彩而非記憶本身。
前瞻與爭議
記憶的儲存是否僅在突觸？Bhatt et al.（2015）發現即使長期記憶經歷完整的突觸可塑性擦除，記憶仍可被重新引發，暗示 epigenetic 或核內機制也參與記憶儲存。Ryan et al.（2015）也發現蛋白質合成抑制導致的「失憶」實際上是提取障礙而非儲存喪失——光遺傳學活化 engram 細胞仍可觸發記憶，挑戰了「LTP = 記憶」的簡單等式。