20世纪50年代的一天，加拿大外科医生威尔德？潘菲尔德正在做一项医学实验，他切下一个癫痫病人的部分脑壳骨，用微电极刺激病人的脑细胞，以确定哪个部位出了毛病。当刺激到病人大脑皮层的右侧颞叶时，病人忽然说：“我听到了管弦乐队的音乐声。”
潘菲尔德医生觉得很奇怪，便重复刺激了这个部位，病人回答说，他又一次听到了刚才的音乐声，并且手舞足蹈地唱了起来。接着，潘菲尔德又对一个11岁的小孩进行了实验。当他刺激那个11岁小孩的左侧颞叶时，小孩子说：“我听到几个小朋友叫我上街去玩。”
通过实验，潘菲尔德了解到，人的颞叶与人的长时记忆关系密切。于是，潘菲尔德撰写了一份人脑与记忆之间关系的研究报告。潘菲尔德在报告中说，当刺激大脑的某些细胞时，埋藏在记忆深处的一些往事就会突然浮现出来，而且这种回忆不是支离破碎的片断或某种单纯的印象，而是一个过去情景的完整再现。这些情景的时间跨度近则几小时，远至40年。
特别令人惊奇的是，通过电刺激所引起的这些记忆，在正常情况下是回想不起来的。潘菲尔德由此认为，一个人下意识注意的任何事物都会被记录在脑子里，就像摄影机将情景记录在胶片上一样，这种记录基本上是永久性的，尽管在日常生活中人们可能回忆不起来。潘菲尔德医生无意中发现了记忆的秘密，在当时引起了很大反响。
早在公元前600年，古希腊人就开始了对记忆的研究，虽然在今天看来，当时提出的那些概念是多么幼稚可笑。例如，公元前6世纪的帕蒙尼德认为，人的记忆是由明暗或冷热两种物质构成的混合体。只要这种混合体没有受到干扰，记忆就是完善的；如果混合体发生变化，就会出现遗忘现象。
到了公元前4世纪时，伟大的思想家柏拉图提出了“蜡版假说”。当时，他并没有指出记忆的具体生理器官是什么，只是提出人对事物的印象就好像有棱角的东西触碰蜡版时所留下的印记，随着时光流逝，人对事物的印象会逐渐模糊，最后完全消失，就好像蜡版逐渐恢复光滑一样。
公元2世纪，伟大的生理学家盖伦提出了“元气”概念，他假设记忆属于低级的动物元气，这些元气产生于大脑的周围，于是记忆也就在那些部位产生。盖伦认为，人吸入的空气进入脑部，同命脉元气混合在一起，这种混合物便产生了动物元气，动物元气又被传送到整个神经系统，使人能够感受到各种体验，人就是这样记忆的。盖伦的观点正好迎合了教会的思想，于是，这种观点被当做宗教信条大力宣传，在西方的影响整整持续了1500年。直到公元17世纪，关于记忆的研究几乎毫无进展。
19世纪中叶，捷克生理学家普罗奎斯卡彻底否定了盖伦的动物元气概念，他认为没有任何的科学依据或实验依据来支撑这个概念。但是，由于当时的科学技术还处于初级阶段，普罗奎斯卡也无法确定记忆的具体生理部位。不过，普罗奎斯卡还是谨慎乐观地指出：“记忆功能有具体区域是可能的，但目前我们还无法就此提出有价值的想法。也许50年后，确定记忆部位会成为一种有价值的探索。”
俄国生理学家巴甫洛夫在用狗做条件反射实验时发现，如果狗的大脑皮层受到一定程度的损伤，那么狗的反应能力随之下降，学习新东西的能力也随之下降。如果狗的大脑皮层受到的损伤较为严重，那么这条狗就不能建立条件反射，也就是说不能学习新的东西。因此，巴甫洛夫得出结论：大脑皮层是保持条件反射的基本器官，即大脑皮层是记忆的基本器官。
1929年，美国心理学家拉什通过训练老鼠走迷宫来进行学习和记忆的实验，并通过不断破坏老鼠大脑皮层的不同区域，来检查这种破坏对老鼠保持记忆的影响。结果发现，老鼠记忆的丧失情况与被破坏的区域大小密切相关，但与皮层受损伤的具体部位没有关系。破坏的区域越大，老鼠记忆的丧失越严重。
于是他得出结论说：老鼠走迷宫的记忆保持不依赖于大脑的精细结构的定位。拉什由此推断人的学习、记忆活动也与广泛的神经细胞活动有关，记忆痕迹是普遍贮存在大脑中的。拉什的观点立即招致了很多人的批评，他们强调说，老鼠是低等动物，它的大脑皮层机能不分化，而人的大脑皮层机能是高度分化的，因此，不能简单地拿老鼠实验的结果类比于人类。
科学家按照记忆保持的时间长短将记忆分为感觉记忆、短时记忆和长时记忆。
感觉记忆指信息以感觉的形式保持，例如视觉就以映像的形式保持，听觉就以声音的形式保持，而且持续的时间非常短。视觉信息约在1秒钟内衰退，听觉信息约在4秒钟内衰退，就好像是感觉暂时登记了一下，随着时间的延长逐渐变弱直到消失，所以它也称“感觉登记”。为了更直观一点儿，你不妨自己来体验一下：闭上眼睛，用指尖在胳膊上轻轻地触一下，然后体会胳膊上的感觉。在触及皮肤的一瞬间，你可以比较准确地指出指尖所触及的位置，但很快，胳膊上的感觉就会变得模糊，随后就消失了。
短时记忆比感觉记忆的时间稍长一点儿，信息最多可储存一分钟左右。比如，听报告或听讲座时如果及时作笔记，一般都能记住大致的内容。假如过后再想记住报告或讲座的内容，会相当困难。
长时记忆则是知识长久储存的地方，它的容量非常大。记忆保持的时间从几分钟到几年甚至一个人的终生。总之，感觉记忆、短时记忆和长时记忆三个记忆系统不是记忆的三个不同的阶段，而是记忆的三种不同形式，他们在记忆活动中是相互依存、密切联系的。
大量的实验结果表明，记忆是整个中枢神经系统的功能，是中枢神经系统的不同部位联合作用的结果，但不同的部位作用是不一样的。1953年，有一个自幼患癫痫的病人已病入膏肓，刚刚27岁已经丧失了生活的能力。
经过医生的诊断，确认他的癫痫病源位于大脑两边颞叶的内侧底部，于是便给病人做了手术，切除了两边颞叶内侧和海马回。手术后，病人失去了手术前三年内的很多记忆，而且对新发生的事情过目就忘，但却保留着对三年前经历的记忆。
半年后，病人搬了新家。一天，当他外出准备回家时，却怎么也想不起自己新家的地址，鬼使神差地回到了老宅子。尽管新邻居天天跟他打招呼，但他就是记不得他们，但却对手术前的老朋友记忆犹新。后来，情况略有好转，但对于新事物的记忆也只能维持很短的时间，就连他同别人的谈话也不能被打断，否则他就忘记了刚才谈话的内容，无法将谈话继续下去。这就意味着切除海马回实际上使病人失去了短时记忆的能力。
19世纪80年代，俄国的神经病学家科尔萨克夫发表了一篇病例报告。这个病人记不起来不久以前发生的事情，即使告诉他不久以前他自己身临其境的事情，他也会觉得非常陌生。但是，他总是自我感觉良好，甚至不觉得自己有什么问题。他常常忘记刚刚发生的事情的时间和地点，但总是瞎编乱造一通来填补这段记忆的空白，并认为自己是正确的。病人死后，经过对病人的检查发现，他脑底的乳头体和丘脑的一些部位有严重损伤，因此影响到了病人的某些长时记忆。
记忆的能力与大脑内部的某些生物化学物质的变化有关。记忆过程与两类化合物有关。一类化合物是在神经元的突触传递中起作用的，它们是乙酰胆碱和乙酰胆碱酶，起决定作用的是两者的比例。乙酰胆碱酶是分解乙酰胆碱的，所以当两者的比率越大时，即乙酰胆碱越多时，神经元突触传递的效率就越高。
另一类是神经细胞中促进蛋白质合成的化学物质RNA（核糖核酸）的比重。细胞中所有的蛋白质都是由RNA“制造”的，如果RNA的结构发生变化，那么“制造”出的蛋白质就会发生变化，细胞的结构和机制就会发生变化，神经细胞也是如此。在短时记忆中，突触间的化学物质起的作用大些，而在长时记忆中，细胞中的RNA起的作用大些。
1960年，瑞典的海登首次采用独特的超微技术，成功地测定了老鼠学习前后脑神经细胞和神经胶质细胞呈阳A的变化。他的实验是在一条倾斜45度的细钢丝上进行的：老鼠如果沿着钢丝爬到高台上，就可以获得食物；如果老鼠从钢丝上掉下来，就会掉在带电的笼子底部而遭到电击。
经过反复的训练后，老鼠学会了爬钢丝的平衡运动。海登在老鼠学习后，从它脑干前庭核的神经元（这是与平衡活动有关的神经元）中提取出RNA，发现RNA的含量增加，而在脑的其他部位或在没有受过这种平衡训练的老鼠脑内没有发现这种变化。
在进一步的实验中，海登发现动物学习时脑内不同区域蛋白质的合成情况也会有变化。例如，老鼠在吃东西时也像人一样有“左撇子”或“右撇子”，于是，实验者强迫“左撇子”老鼠用右前肢取食物，“右撇子”老鼠用左前肢取食物。
同时，在训练的过程中，给老鼠注射放射性物质。这种物质可以进入脑内，并集中在新的蛋白质合成的脑区。在老鼠的颅骨外，用传感器来观察放射性物质辐射线的情况，结果发现随着记忆活动的增长，蛋白质的合成部位也在发生变化。例如，在学习的初期阶段，海马回是蛋白质合成的主要位置，而继续训练后，动物学会用不常用的前肢取食时，蛋白质在海马回的合成活动减弱，合成活动移向了大脑皮层。
在海登以后，很多人都开始进行有关记忆与RNA关系的实验研究，甚至有的报告说，将学习后的动物的RNA抽取出来，注射到未学习的动物体内，结果出现了记忆的转移，即没有学习过某种行为的动物出现了某种行为，或者加速了对某种行为的学习过程。例如当把一只老鼠的RNA取出来移植给另一只老鼠时，第二只老鼠就能“想起”第一只老鼠学过而它自己没有学过的东西。但是，这种说法只是一种说法而已，并没有真正经得起检验的实验数据。
我们不禁要问，在记忆时，我们脑子里究竟发生了什么样的变化？我们什么时候才能真正破解记忆的秘密？是否有一天，我们的记忆就像照相机或录像机一样，将记忆的往事准确地、反复地播放？