腦科學的研究表明，與學習記憶有關的腦結構主要有穎葉、額葉、頂葉、丘葉和杏仁核及邊緣區等。其中關系最密切的當首推顛葉，因為其中的海馬結構具有固化長時記憶的重要作用。額葉可能與先后次序的記憶關系密切，頂葉與短時記憶可能有關，杏仁核起著溝通不同感覺而形成記憶之間聯系的作用。

1.均勢說與定位說

均勢說認為。記憶在大腦皮層上無特定部位，任何一種記憶痕跡都是與腦的廣泛區域相關聯。1929年，美國心理學家拉什里在動物實驗中發現，動物學習成績的好壞與大腦皮層特定部位的破壞并無對應關系，但與損毀面積的大小有關。在臨床方面，病人己鞏固的記憶痕跡并不因局部的腦外科手術而消匿，這似乎也支持了均勢說。

相反地定位說認為記憶在大腦皮層上有特殊定位。其較早的證據來自于潘菲爾德對癲痛病人腦區的電刺激研究。1936年，潘菲爾德用微電刺激癲痛病人腦皮層各部分來尋找病灶時發現，刺激不同部位能誘發病人對不同內容的回憶，比如刺激右側穎葉區，病人說聽到了曾聽過的音樂，但刺激其他區域則不能誘發對該音樂的回憶。在500個臨床病例中，潘菲爾德發現8%的患者出現了誘發回憶。此后，神經，心理學家魯利亞和心理學家科恩等先后進行的研究也支持了定位學說。

不過，多數心理學家還是傾向于將均勢說和定位說統一起來，認為記憶應是整個中樞神經部位的聯合活動，同時不同神經部位對記憶行使的功能又存在差別。同樣地有實驗說明了這一觀點的正確性。弗爾斯納在動物實驗中，迫使動物學習一種技巧，3天后給他們的兩側穎葉注射某種化學物質，結果該技巧的記憶喪失;如果讓動物連續學習6天，再同樣地在兩側穎葉注射化學物質，卻不能使該技巧的記憶喪失，但當繼續在腦的多處注射該化學物質，則記憶又會喪失。

另據新華社2001年10月28日電，我國科學家發現人腦記憶“新大陸”。第一軍大學舒斯云教授發現的這一新區域紋狀體邊緣區。被稱為“舒氏攻”比指甲蓋略大。這一區域參與了大腦的學習記憶活動，與腦的學習、記憶功能密切相關。科學家已發現的分針記憶的海馬、杏仁核等結構分散在大腦的不同部位。長期以來科學家一直在考慮：這些分散的結構是如何聯系的?“舒氏區”的發現正好能破解這個謎團：它正好位于這些分散結構之間的“樞紐”位置，與各結構有著密切的功能聯系，這是全球腦科學領域最引人矚目的重大發現。

2.單一結構與多重系統

將海馬作為主要記憶功能的結構，是20世紀60-70年代頗為盛行的觀點。海馬是位于側腦室下角底壁的一個特殊古皮層結構，因其外形酷似海馬而得名。海馬與其周圍的齒狀回、下腳、拼眠上回和束狀回共同形成一個結構和功能的整體，合稱海馬結構。它主要有兩個記憶回路，一個是經典的帕帕茲環路，即海馬~育窿~乳頭體~乳頭丘腦束~丘腦前核~扣帶回~海馬;另一個是三突觸回路。臨床觀察發現，海馬損傷的病人會發生順行性遺忘，即只能回憶和提取已有的信息，不能形成新的長時記憶。這個長達35年之久的病例觀察及其主要實驗研究，使得人們確信海馬具有記憶的功能，特別是在從短時記憶向長時記憶的功能過渡中發揮重要作用。不過這些結構并不是長時記憶的存貯庫，長時記憶究竟儲存在何部位，至今仍未定論。

20世紀80年代以來，認知心理學和神經心理學一方面吸收臨床醫學和臨床心理學的研究成果，一方面運用信息科學和計算機科學的一些理論，使人們認識到記憶具有復雜的多形態和多功能系統、從認知神經科學的角度，我們可以將大腦的記憶系統劃分為三個子系統，即資料或數據驅動的記憶系統、概念驅動的記憶系統和基于期望的記憶系統。