Один из ученых, изучающих физиологические механизмы процесса запоминания — лауреат Нобелевской премии Эрик Кандель. В своих экспериментах он изучал моллюска аплизию. Он остановил на нем свой выбор, так как исходил из предположения, что нет фундаментальных отличий между нейронами и синапсами человека и беспозвоночных. Кроме того, аплизия обладает несколькими важными преимуществами:
1) нервная система аплизии состоит примерно из 20 000 нейронов (тогда как у млекопитающих их десятки миллиардов);
2) многие из них очень большие (до 1 мм в диаметре);
3) нейроны часто окрашены в различные цвета и занимают строго определённое положение в нервных ганглиях, так что их легко опознавать индивидуально.
Для исследований был выбран один из защитных рефлексов: рефлекс втягивания жабры при дотрагивании до сифона. Когда животное находится в спокойном состоянии, жабры прикрыты куском кожи, заканчивающейся сифоном. При раздражении жабры и сифон прячутся в мантийную полость. Выделяют три основных вида научения: повышение чувствительности (сенситизация), привыкание (габитуация) и классическое (павловское) обусловливание (выработка условного рефлекса). В опытах с аплизией изучали все эти формы, но наиболее подробно была изучена сенситизация, при которой животное начинает сильнее реагировать на внешнее раздражение. При одном дотрагивании до сифона жабра немного прячется в мантийную полость, а если до этого в «хвост» (заднюю часть ноги) аплизии наносили укол, жабра втягивается сильнее и на более длительное время. Рефлекторная цепь этого рефлекса состоит из 24 сенсорных нейронов и шести мотонейронов жабр.
Исследования Канделя показали, что обучение происходит в результате изменений в силе синаптических связей между клетками (изменение силы синаптических связей — это изменение количества нейромедиатора, выделяемого в синаптическую щель при определенной силе раздражения). Она изменяется гетеросинаптически, то есть силу синапса изменяют клетки-модуляторы. Одна и та же синаптическая связь может быть изменена (усилена или ослаблена) при разных формах обучения: привыкание ведет к ослаблению связей между сенсорными нейронами и их эффекторами, мотонейронами и интернейронами. Сенситизация ведет к усилению тех же самых наборов соединений.
На одном синапсе изменение силы связи (синаптическая пластичность) может быть кратковременным или долговременным. Это зависит от числа повторений обучающего раздражителя (укола в ногу). Долговременная память основана не только на усилении синаптической силы, но и на увеличении числа синаптических связей.