Uczenie się to nabywanie zmian w zachowaniu i ich odtwarzanie pod wpływem danego doświadczenia. Jest ono wynikiem niezwykłej plastyczności układu nerwowego zwierząt. Pamięć natomiast jest to przechowywanie nabytych zmian w zachowaniu w czasie. Wyróżniamy dwa rodzaje pamięci: pamięć opisową – deklaratywną oraz pamięć sposobów postępowania – proceduralną. Pamięć opisowa to pamięć o doznaniach, które można świadomie wywołać lub opowiedzieć. Obejmuje ona pamięć epizodyczną dotyczącą zespołu zdarzeń, które zaszły w określonym czasie i miejscu oraz pamięć semantyczną, która jest pamięcią znaczenia słów, praw, pojęć, formuł, kategorii, twierdzeń, faktów oraz zasad. Pamięć proceduralna to długotrwała pamięć zręczności ruchowej percepcyjnej i asocjacyjnej, często wywoływana bez udziału świadomości.

Wyróżniamy dwa rodzaje pamięci deklaratywnej (opisowej) w zależności od czasu jej trwania. Pamięć krótkotrwała (STM; ang. short term memory) utrzymuje się od kilku sekund lub minut nawet do kilku godzin, ma ograniczoną pojemność, wymaga ciągłych powtórzeń i łatwo ulega zburzeniu, szczególnie gdy jednocześnie docierają konkurujące bodźce. Ulega stale osłabieniu a nie powtarzane zdarzenia zostają wyparte przez nowo nabywane. Pamięć długotrwała (LTM; ang. long term memory) zachowuje ślady większej ilości doznań trwale lub przez długi czas. Ma niewyczerpalną pojemność i nie wymaga ciągłego powtarzania.

Badania z udziałem ludzi z uszkodzeniem kory mózgowej wykazały, że istnieją co najmniej dwa niezależne systemy tworzenia pamięci krótkotrwałej. Pierwszy to pętla fonologiczna, dzięki której wypowiedziane dźwięki są zapamiętywane dostatecznie długo aby zapewnić płynność mowy. Pętla wzrokowo-przestrzenna odpowiada za magazynowanie aktualnych informacji wzrokowych i przestrzennych. Proces pamięciowy krótkotrwały związany jest z aktywności półkuli prawej.

Związek miedzy pamięcią długotrwałą a krótkotrwałą nie został do końca wyjaśniony. Jedna z hipotez zakłada, że większość informacji zostaje utracona z powodu zanikania pamięci krótkotrwałej, a niektóre elementy zostają wzmocnione poprzez proces uwagi i wzmocnienia, przechodząc do pamięci długotrwałej. Inna hipoteza zakłada, że informacje percepcyjne docierają jednocześnie do STM i LTM, przy czym niektóre elementy zostają wyselekcjonowane i przechodzą do pamięci długotrwałej.

W badaniach molekularnego podłoża procesów uczenia się i tworzenia pamięci nieoceniony okazał się model badawczy ślimaka morskiego Aplysia Californica. Jego głównymi zaletami jest bardzo prosta budowa układu nerwowego oraz duże neurony, co daje większą możliwość obserwacji i manipulacji.

Na rysunku przedstawiono prosty obwód nerwów ślimaka wykorzystywany przy badaniach. Odruch cofania skrzela ślimaka stał się głównym celem obserwacyjnym. Odruch ten jest reakcją wywołaną podrażnieniem mięsistego wyrostka zwanego syfonem przez bodziec dotykowy (strzykniecie strugi morskiej wody).

Dziesięciokrotne podrażnienie syfonu powoduje osłabnięcie odruchu cofania skrzela u Aplysia californica. Zjawisko to nazywamy habituacją. Powoduje ona zmniejszenie wydzielania neuroprzekaźników w neuronach czuciowych syfonu. Przedłużona stymulacja powoduje napływ jonów wapniowych  do zakończeń aksonalnych w neuronach czuciowych, co powoduje długo utrzymującą się niewrażliwość kanałów wapniowych i w konsekwencji obniżenie napływu jonów wapnia. Długotrwała habituacja rozwija się gdy ilość powtórzeń podrażnienia się zwiększa. W miarę upływu czasu staje się zależna od syntezy wielu białek i obserwuje się zmniejszenie liczby synaps.

Uwrażliwienie, inaczej sensytyzacja to odwrócenie habituacji. Gdy w trakcie wytwarzania habituacji podamy silny bodziec bólowy (np.: szok elektryczny) w głowę albo ogon to zaobserwujemy ponowną reakcję cofania się skrzela o większej sile niż na początku. Tej zwiększonej sile odruchu cofania towarzyszy wzrost transmisji  (wydzielania serotoniny) w synapsie pomiędzy neuronem czuciowym a neuronem ruchowym. Długotrwała sensytyzacja związana jest z syntezą nowych białek oraz tworzeniem nowych synaps.

Początkowe zjawiska biochemiczne są takie same jak w przypadku długo i krótkotrwałej sensytyzacji. Stymulacja bólowa ogona aktywuje wstawkowe neurony torujące, w których neuroprzekaźnikiem jest serotonina. Tworzą one synapsy akso-aksonalne na zakończeniach neuronów czuciowych. Serotonina działa poprzez dwa rodzaje receptorów. Receptory I typu związane są z układem wtórnych przekaźników cyklicznego 3’,5’-adenozynomonofosoforanu (cAMP) i kinazy białkowej PKA. Kinaza PKA fosforyluje kanał jonowy K⁺, co powoduje zmniejszenie prądu jonów K⁺. Powoduje to wydłużenie  potencjału czynnościowego i napływ jonów Ca²⁺ do zakończeń aksonalnych. Kinaza PKA mobilizuje ponadto dodatkowe źródła neuroprzekaźnika z pęcherzyków. Receptory serotoniny II typu działają przez układ wtórnych przekaźników związanych z diacyloglicerolem, który aktywuje kinazę białkową PKC. W wyniku tego zostaje przedłużony czas napływu jonów Ca²⁺ do komórki, co ostatecznie prowadzi do wzmożonego uwolnienia neuroprzekaźnika z zakończeń neuronów czuciowych.

Jednym z czynników, który powoduje przejście uwrażliwienia krótkotrwałego w długotrwałe  jest kinaza PKA, która fosforyluje czynnik transkrypcyjny CREB (ang. cAMP response element binding protein). CREB ulega następnie translokacji do jądra i bierze udział w regulacji ekspresji odpowiednich genów. Powoduje to w ostateczności długotrwałą fosforylację kanału potasowego. Długotrwała sensytyzacja połączona jest z transkrypcją genów i translacją białek odpowiedzialnych za tworzenie nowych połączeń aksonalnych.

Odruch cofania skrzela można wzmocnić nie tylko na drodze sensytyzacji, ale dzięki uwarunkowaniu reakcji behawioralnej. Wytwarzanie warunkowania odruchu cofania skrzela u Aplysia californica możliwe jest gdy połączy się bodziec dotykowy – dotykanie wraz z bodźcem bezwarunkowym – podrażnienie tylnej części nogi. Przed treningiem zastosowanie bodźca dotykowego powoduje słabą reakcje behawioralną. Zestawienie obydwu bodźców jednocześnie powoduje pojawienie sie gwałtownej odpowiedzi na zastosowanie jedynie bodźca dotykowego. Podłożem biochemicznym tego rodzaju uczenia się jest wzmocnienie mechanizmów towarzyszących sensytyzacji wywołanej przez bodziec bezwarunkowy, przez zastosowanie łagodnego bodźca warunkowego.