接下来我们来学习和记忆有关的生物学知识。把记忆看成是信息加工的方式，只是我们了解记忆的一个途径。其实记忆还取决于脑中的特定结构。比如说杏仁核参与情绪记忆的形成、巩固和提取；额叶和顶叶负责工作记忆任务；额叶和颞叶对单词和图片进行有效编码；海马承担长时记忆的形成，有助于特定记忆的提取，将记忆中各种成分联系在一起，以便日后以完整的方式进行提取；小脑保证经典条件反射的形成和保持；大脑皮层用来储存长时记忆，可能储存在最初感知信息的相关区域中。与学习一系列按键操作有关的内隐记忆则取决于另一个被称为纹状体的脑区活动。
记忆的形成涉及突触水平的化学变化和结构变化，而这些变化对工作记忆和长时记忆而言是不一样的。在工作记忆中，神经元内的变化会暂时改变其释放神经递质的能力，神经递质这一化学物质所携带的信息从一个细胞传递到另一个细胞。
相反，长时记忆涉及脑的持久性的结构变化。在脑的各个区域，特别是海马，某种刺激增强了突触的反应，这种现象被称为长时程增强。某些接收神经元对传入神经元的反应更强，使突触路径更易于兴奋。长时程增强可能是许多形式的学习和记忆的基础。钙和神经递质谷氨酸似乎都在这一过程中起关键的作用。此外，在长时程增强过程中，树突生长并产生分支，某些类型的突触数量增加。同时，在其他加工过程中，某些神经元的反应程度相对以前降低了。
这些变化大多数需要时间，这或许可以解释为什么长时记忆在储存后的一段时间内仍然容易受到破坏——为什么对头部的打击可能会破坏较新的记忆，但较早的记忆不受影响。所以说，记忆必须经过一段时间的巩固后才能“固化”。而且记忆可能永远不会完全固化。
回忆先前储存的记忆可能会使它们再次变得不稳定，然后，新一轮的巩固将新信息整理到旧的记忆中，从而对其进行重塑。有研究表明，睡眠在促进新信息的巩固方面起着重要的作用。
参与长时记忆的形成和提取的脑回路与记忆存储所涉及的脑回路不同。尽管海马对记忆的形成和提取至关重要，但记忆的存储最终由大脑皮层负责。实际上，记忆可以存储在与信息最初知觉有关的相同皮层上。当人们回忆起图片时，脑中的视觉区域变得活跃；当人们回忆起声音时，听觉区域会激活。而海马可能以某种方式将记忆的各个方面绑定在一起，因此，即使各个方面的记忆储存在不同的皮层，随后也可以将记忆作为一个完整的整体来提取。
一些令人震惊、悲哀、振奋或不寻常的事件在记忆中占有特殊的位置。这些关于地点、时间以及我们如何了解情绪性事件的生动回忆被称为闪光灯记忆，以描述这些事件的强度和像照相船的细节。并且一些闪光灯记忆可以持续数年，但是，即使是闪光记忆也并非总是准确的。在情绪唤醒和压力状态下，肾上腺释放激素，包括肾上腺素和去甲肾上腺素，它们可以增强记忆，这一过程部分是由杏仁核和海马之间的通信引起的。如果在学习后立即给动物注射去甲肾上腺素，它们的记忆就会增强。情绪唤醒和记忆之间的联系具有进化意义：情绪唤醒告诉脑这条信息足够重要，可以进行编码和储存以备将来使用。但强烈的情绪唤醒不一定对记忆有好处，有时记忆会受到损害而不是增强，中等剂量的激素才是最佳的选择。当犯罪受害者、警务人员和战斗士兵必须回忆高度紧张的经历细节时，这些压力或焦虑就会产生重大的影响。
实际上，增加可利用的葡萄糖量可以增强记忆。在一项令人振奋的研究中，健康的老人禁食过夜，喝了一杯加了葡萄糖或糖精的柠檬水，然后进行记忆测试，结果加糖精对记忆没有影响，而加入葡萄糖却可以提高他们的记忆表现。但是葡萄糖的有效剂量很窄，过多的葡萄糖反而会损害认知功能。所以说，在生物学中，记忆是一个非常复杂的过程，很多方面的知识还需要我们继续研究，才能更准确地解释记忆的神奇之处。
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