學習是經驗獲得的過程，記憶是經驗的保持，二者是密不可分的。研究學習和記憶的神經機制，就是要弄清在學習和記憶過程中有哪些腦結構參加，這些腦結構內發生瞭什麼變化。對這一課題的研究可以採取下述途徑：①研究不同物種的學習過程，以觀察在物種發展的哪一階段出現瞭學習活動，並探討有機體必須具備哪些特性才能進行學習活動。②對神經系統施加幹擾，以觀察對學習和記憶的影響。腦損傷、腦刺激（包括電刺激和化學刺激）都是幹擾學習和記憶所用的方法。③在學習過程中用電生理學描記技術直接觀觀察腦的各個區域或單個神經元的電活動，或者用化學分析法測定在學習的不同階段上腦的化學物質含量的變化。
比較研究 在無脊椎動物中從原生動物到軟體動物進化的階梯上，到蠕蟲類，開始出現頭神經節和排列於腹側的櫛狀神經鏈，它們組成瞭節狀神經系統。1955年以來，J.V.麥康奈爾和R.湯普森等人對渦蟲的實驗研究證明，經訓練渦蟲能形成經典條件反射，說明渦蟲已具備瞭學習的能力。
軟體動物的神經系統是無脊椎動物中最高度發展的。雖然它們的神經系統仍然屬於節狀神經系統，但是具備瞭專門化的感受器和效應器，在它們之間的神經細胞集中的結節──神經節。每個神經節分化得非常好。現在已經有可能用實驗方法來鑒定每個神經節的功能，以及在神經節內區分出不同功能的神經元群，這為研究學習的神經網絡以及學習過程中神經網絡上發生的變化提供瞭一個良好的生物備制。關於這類動物學習能力的研究，大多數是以於章魚為對象的。近年來有些致力於海兔的研究，觀察瞭海兔的習慣化的過程，以及神經網絡上所發生的突觸可塑性變化，例如其縮鰓反應對觸覺刺激習慣化的機制是感覺神經元的突觸（前突觸）釋放神經遞質的減少。
隨著動物由低級到高級的進化，它們的神經系統也越來越復雜，具備瞭更完善的感受和整合機制，與此相應，有機體學習中所能解決的課題也越來越復雜。發展到人類的腦出現瞭言語系統，能運用言語和符號進行學習和記憶，大大地擴展瞭人類的記憶容量，並能把獲得的經驗進行語言形式的加工，具有瞭更高的抽象和概括能力，逐漸創造出瞭諸如數學、哲學和各種科學的概念系統，從而又極大地促進瞭人類思維的發展。
根據比較心理學研究的材料，科學傢可以利用不同物種的動物所具有的特性來解決學習研究中的不同問題，利用具有較復雜神經系統的動物探索學習的基本規律，以及腦的不同部位的功能；利用具有較簡單的神經系統的動物探討有關學習的神經網絡中發生的事件，為建立學習機制模型提供基礎。
解剖學基礎 有關學習和記憶的腦結構的研究，大多數實驗采用神經外科切除法或其他損毀法（電損毀或神經毒劑），即破壞特定的腦區，以觀察其對學習和保持的影響，判斷損傷的局部腦組織在學習、記憶中的作用。也可以用電刺激局部腦組織的方法觀察其是否幹擾學習和記憶，以確定該部位與學習和記憶的關系。
有人認為，條件反射的習得在高等動物是與皮層分不開的，但是對除去大腦皮層的狗和切斷脊髓與腦聯系的脊髓動物所進行的條件反射活動的研究表明，在這些動物身上仍能建立簡單的條件反射。不可否認，雖然中樞神經系統低級部位也能進行一些簡單的學習，但是這樣的動物要生存下去畢竟是困難的。隨著動物進化到人的階段，與皮層下結構相聯系的大腦皮層在中樞神經系統越來越占主導地位，隻有它的存在才能保證實現較高水平的行為。
美國心理學傢K.S.拉什利采用腦皮層局部切除法測定瞭腦皮層各區對大鼠學習復雜迷宮行為的影響。結果表明，學習迷宮的錯誤和練習次數與大腦皮層損傷面積的大小和迷宮的復雜性成正比。就是說，皮層中沒有控制學習的特殊部位，僅僅是皮層損傷面積的大小決定瞭學習障礙的嚴重程度。根據以上的事實，拉什利提出瞭大腦皮層功能等勢說。
臨床觀察和對靈長類動物所進行的實驗研究表明，大腦皮層某些部位的損傷可以導致某些特殊學習的障礙。有些人認為，拉什利所得的結果可能是由於大鼠的大腦皮層功能尚未充分地分化；其次，大鼠在學習跑迷宮訓練中，依賴多種感覺通道來的信息，每種信息所傳遞到的大腦區域的是。當測定切除腦不同區域對學習的影響時，皮層切除得多，所損傷的感覺功能也多，恰恰可以獲得類同拉什利的結果。目前，在影響學習的腦部位研究中，新皮層上有兩個區域受到瞭極大的註意，即顳下回和前額葉區。已有的研究表明，損傷猴腦雙側顳下回皮層導致復雜的視覺分辨學習的障礙。皮層視覺通路的研究也證實，到達枕葉的視覺信息，經皮層間的聯絡纖維傳遞到後聯絡皮層，然後中轉分為兩支，一支向腹側到達顳下回，另一支向背側到達頂下回。前者是識別物體的視覺通路，後者是空間辨別的視覺通路。電生理學資料也證明瞭枕葉與顳下回之間的聯系。當視覺刺激作用於視網膜時，顳下回的神經元出現電生理反應；當枕葉與顳下回之間的聯系切斷時，顳下回神經元便立刻停止對視覺刺激的反應。因此，對視覺辨別學習來說枕葉、顳下回以及它們之間的聯系是必不可缺的。
關於前額葉與學習記憶的關系在30年代就有報道說明，損傷猴腦前額葉對學習特殊的辨別課題並無困難，但是十分明顯地影響到短時記憶。C.雅各佈森1935年做過這樣的實驗：在猴籠前面放兩個盒子，讓猴子看著把一塊香蕉或糖果放在其中的一個盒子內，然後用幕佈擋住盒子。對正常猴子來說，30秒鐘以後拉開幕佈，它仍能正確地打開藏有食物的盒子取食；但對雙側前額葉切除的猴子來說，僅隔5秒鐘，它就不能正確選擇瞭。如果允許它立即選擇，它還能作出正確的反應。這個實驗說明，雙側前額葉皮層的損傷並不影響辨別學習能力，但是影響到記憶痕跡在腦內的保持。又有人認為前額葉與註意有關；也有人認為，與空間定向有關。現有的解剖學和生理學資料表明，額葉具有多種多樣的功能，它在解剖上可以分成一些亞區，接受來自感覺區以及很多皮層下結構的神經沖動。近年來的研究證明，與短時記憶有關的部位是在猴前額葉主溝及其附近的一個很窄的區域內。
關於邊緣系統在學習記憶中的作用，首先有臨床資料表明，人腦邊緣系統的主要結構海馬乳頭體等發生病變或切除，可以導致一種極為明顯的記憶障礙，即過去的舊經驗仍能保持，但近期的記憶喪失，這種記憶障礙稱為逆行性遺忘。大量的動物實驗研究報道，學習後立即損毀海馬與學習後相隔幾天做同樣的手術相比較，前者保留的記憶要少得多。其次，記憶越牢固（即條件反射越鞏固）損傷海馬對它的破壞性影響越小。海馬對記憶形成的早期階段有關鍵意義，而對記憶的後期階段就不重要瞭。但是，損毀海馬對行為影響的效果並不總是一致。進一步的研究表明。海馬不同區域對學習和記憶的作用是不同的。近年來的研究證明，破壞海馬腹側比破壞海馬背側導致更為嚴重的學習和記憶障礙。又有人認為，大鼠海馬的腹後側可分為兩個獨立的解剖系統，一個是興奮系統，一個是抑制系統。P.W.蘭菲爾德1973年的研究表明，位於海馬腹側的CA3、CA4和齒狀回承擔瞭海馬的記憶功能。電生理資料也證實CA3區很可能是最初的記憶形成部位。又有研究表明，損毀海馬對不同類型的學習的影響是不同的，最明顯的例子是損傷大鼠的海馬不影響味覺和嗅覺厭惡性條件反射的習得和鞏固。C.P.鄧肯1949年的研究表明，如果一個剛習得的行為，在訓練後立即進行電休克處理，則被幹擾而喪失；如果電休克在訓練後幾小時或更長時間後進行，則並不影響習得的經驗。A.巴倫德斯1966年的實驗是，將蛋白質合成抑制劑嘌呤黴素註入腦內5小時後，腦內蛋白質合成90％被抑制時開始訓練大鼠建立迷宮逃避反射，可以看到，這並不影響條件反射的建立，15分鐘檢查，學習保持的情況良好；訓練後3小時再檢查，條件反射完全消失。說明這種蛋白質合成抑制劑並不影響動物的學習能力和短時記憶，但都影響記憶的鞏固。這些和許多其他實驗都證明，記憶的形成是一個多階段的過程，分佈在相當長的時間范圍內；其次，記憶的各個階段分別由腦的不同部位和不同機制實現。在學習後的一段時間內很容易受到外來刺激的幹擾而影響記憶痕跡的鞏固，這可能是由於實現記憶的腦細胞的電活動受到幹擾所致。根據記憶鞏固假設，在一個經驗習得後，需要有一段時間，以便這種經驗通過腦內不斷的神經活動，在腦內留下牢固的痕跡。在這個時期，神經活動受到幹擾就影響到痕跡的鞏固。嘌呤黴素卻相反，它在學習後才起作用，這可能是由於它幹擾瞭有關長時記憶的蛋白分子的合成。
綜合腦損傷腦刺激的材料可以歸納如下：首先，學習後的記憶是在一段時期中經過幾個階段形成的，而且是在腦的許多不同結構中發生的，並沒有一個單一的定位；其次，記憶不同階段具有不同機制的實現。一般認為，記憶在學習後最初幾分鐘可能是借助腦的電活動模式實現的；此後，在幾小時或更長時間內，記憶可能是借助神經細胞的化學變化而實現的；到更後期，也許由腦的微結構變化而實現。
電生理學研究 40～50年代，腦電圖與條件反射的相關性研究曾報道，在條件反射建立過程中觀察到條件性α節律阻抑現象。它出現在條件性運動反應之前，在消退實驗中又比運動反應消退慢。條件性α節律阻抑范圍，開始在全皮層，之後逐漸局限於皮層運動區和條件、非條件刺激的皮層感覺投射區。這類腦電圖模式可能反映條件刺激在腦內信息加工中的變化。60年代開始，對海馬節律與條件反射的一系列研究認為，在信息貯存及處理過程中海馬節律起積極作用。海馬節律是指4～7赫的電位波動，又稱θ節律。W.R.阿迪1967年報道，在條件反射訓練早期，海馬節律並不規則，頻譜分析屬於4～7赫的θ頻帶范圍；當條件反應出現時，海馬節律變為有規則的主頻為5赫的電位波動。有人發現這種電位波動又將隨著條件反射的鞏固而減弱。因此有人認為，海馬θ節律的變化可以視為條件反射形成的相關物。關於海馬節律與學習的相關性有不同的看法，但是更多的材料支持這樣的看法，即激活海馬對大多數與海馬的節律活動相關的學習作業是重要的。這些電生理資料與大多數腦損傷的資料是一致的。
運用慢性微電極技術的實驗表明，有些原來對條件刺激無反應的神經元，在訓練過程中逐漸出現瞭條件性放電反應，或引起瞭特殊的反應模式(J.L.莫雷諾，1960；J.M.富斯特，1971)。這類神經元可以在腦幹或在腦幹網狀結構、海馬以及皮層感覺投射區中找到。但是腦的各個部位神經元出現反應的先後秩序是不同的。從這些實驗可以看到，在條件作用下許多神經元的活動發生瞭變化；其次，腦的不同部位神經元受到條件作用的影響在時間上是不同的。
為瞭揭示在學習過程中神經網絡上發生的變化，70年代以來用無脊椎動物為研究對象是一種新的趨向。這類動物的神經結構簡單，易於分離出產生某種行為的神經通路。這樣，就有可能在行為改變時追蹤神經網絡上所發生的變化。美國神經生物學傢E.R.肯德爾自1970年起系統地觀察瞭一種海生軟體動物海兔縮鰓反應的習慣化過程，以及它的神經網絡上的電生理變化。實驗結果表明，習慣化的關鍵性變化發生在感覺神經元（或中間神經元）同運動神經元的突觸部位上。重復刺激海兔皮膚引起縮鰓反應習慣化過程時感覺神經元的突觸（前突觸）、對每一神經沖動釋放的神經遞質減少。這些資料提供瞭一個在細胞水平上說明學習在神經網絡上產生的突觸可塑性變化部位的有力證據。使研究學習和記憶的可能機制向前進瞭一步。
腦化學研究 學習時腦內發生的另一類變化是神經元間的傳遞物質和神經細胞內部的蛋白質和核糖核酸的變化。這些物質的變化將直接影響到突觸效應，或調節控制突觸的可塑性變化。為瞭闡明記憶的化學基礎，通常采用兩種途徑：一是采用藥物途徑研究記憶的腦化學基礎。二是觀察和測定學習後腦內化學物質分量的變化。
神經遞質 腦內大多數神經元間的信息傳遞是通過神經遞質進行的。已有的實驗證明，學習後逐漸發生的膽堿能突觸變化的時間與記憶有關。在學習之後不同的時間施用抗膽堿脂酶藥物二異丙基氟磷酸 (DFP)或毒扁豆堿對記憶保留有不同效應。學習後1或4天給予DEP無效，7天損害記憶，21天則易化記憶。由此推測記憶的儲存與膽堿能突觸效應的逐步變化有關。突觸效應在學習後最初幾天逐漸增高，隨後在遺忘中逐漸降低。抗膽堿脂酶藥物提高膽堿能突觸效應，若超出已達到的適宜水平會損害記憶，在遺忘過程中增高已降低的膽堿能效應使其達到適宜水平會易化記憶。為此，J.A.道爾希提出瞭記憶突觸說，並認為膽堿能突觸為“記憶位置”。還有人認為，毒扁豆堿對記憶的影響與原先學習效能有關。
單胺類（去甲腎上腺素和多巴胺）可能以情緒、覺醒為中介而影響記憶的進程。腦內氨基酸作為神經遞質可能參預記憶調節過程。目前，以Υ－氨基丁酸(GABA)最為引人註意，外源性給藥，可以易化記憶，腦室註入適量GABA可以改善記憶；GABA轉氨酶抑制劑氨氧乙酸(AOAA)改善分辨學習的記憶保持，而GABA受體阻斷劑印防己毒素的效果相反。這些實驗說明，GABA作為抑制性遞質可能參預記憶調節過程。
1950年，J.J.卡茨和W.C.霍爾斯特德推測，記憶痕跡可能涉及到蛋白質分子，1963年，J.B.弗萊克斯納將一種抑制腦內蛋白質合成的嘌呤黴素註入小鼠腦內，以觀察對學習的影響，這就開創瞭蛋白質合成在記憶形成中作用的經典研究。
蛋白質合成抑制劑影響記憶的大量實驗證明：①在訓練後若幹分鐘內的習得和保持與蛋白質合成無關；②蛋白質合成抑制所產生的行為效應是由於蛋白質合成被抑制的效應，而不是它的副作用；③在訓練後腦內蛋白質合成對短時記憶來說是不必要的，但是對長時記憶，記憶痕跡的長期鞏固是不可缺少的；④如果把腦內蛋白質合成抑制看為是幹擾瞭記憶貯存，不如說是幹擾瞭記憶的提取過程。
核糖核酸(RNA)合成抑制劑如放線菌素－D和喜樹堿等對記憶均有損害作用，但是一般來說，RNA抑制劑毒性大，對行為作用的專一性差，對它損害記憶作用的解釋有困難。
另一類實驗研究是測定學習對腦內RNA 和蛋白質含量的影響。1959年，H.海登報道大鼠經走鋼絲訓練後，延腦前庭外側核神經元內的RNA含量增加，RNA堿基比發生變化。之後，他又訓練大鼠以不慣用的爪子取食（或稱換肢取食），訓練完畢後，測定控制大鼠前爪的感覺運動皮層區第五層錐體細胞內的RNA，以另一半球對稱部位的材料作對照比較。結果發現，學習後相應一側皮層內RNA含量較對照組皮層有顯著增加，RNA的內部結構也有變化。但是，目前還不太清楚這些RNA堿基比變化的意義，也許它通過對蛋白質合成的調節，在導致持久記憶中成為一個重要環節。1968年，海登又用換肢取食的方法訓練大鼠，並在訓練完畢後立即斷頭取腦，測定大鼠海馬CA3區錐體細胞內的蛋白質含量。結果表明。這種學習過程伴隨著腦內酸性蛋白質S100含量的增加。然後，他又將抗S100蛋白血清註入其他鼠腦內。結果接受抗S100蛋白血清鼠的學習能力顯著落後於未接受處理的大鼠。因而他認為，學習訓練後腦內酸性蛋白質S100增加的確與學習有關。
學習最終的結果是否導致腦內細微結構的變化，這是難於研究的一個問題。但是從早期環境對動物大腦發育影響的實驗結果來看，回答是肯定的。在學習機會多的豐富環境下成長的大鼠，其腦皮層較重較厚，特別在枕區，而且其腦內神經元大，樹突分枝多，解決問題的能力強。這些結果意味著一個豐富的環境為大鼠提供瞭更多的學習機會和經驗，這促進瞭腦細微結構的變化，從而提高瞭學習的能力。