นักประสาทวิทยาศาสตร์เชิงประชาน (Cognitive neuroscience) พิจารณาความจำว่าเป็นการเก็บ (retention) การปลุกฤทธิ์ (reactivation) และการสร้างใหม่ (reconstruction) ของตัวแทนทางประสาทภายใน (internal representation) ที่มีต่างหากจากประสบการณ์ การใช้คำว่า "ตัวแทนภายใน" แสดงว่า นิยามของความจำจะต้องมีสองส่วน คือการแสดงออกของความจำทางพฤติกรรมและทางการรับรู้ และความเปลี่ยนแปลงทางกายภาพของระบบประสาท (Dudai 2007)ส่วนที่สองนั้นเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า "engram" หรือ "memory trace" (Semon 1904)นักประสาทวิทยาศาสตร์และนักจิตวิทยาบางพวกเทียบความคิดเรื่อง engram เท่ากับความจำ (memory) อย่างผิดพลาด คือรวมเอาสิ่งที่คงเหลือทั้งหมดของประสบการณ์ว่าเป็นความจำ (คือถือเอาแต่ส่วนที่สองของนิยาม) ในขณะที่พวกอื่นปฏิเสธการรวมยอดอย่างนี้โดยแสดงว่า ความจำจริง ๆ แล้วจะไม่มีจนกระทั่งเปิดเผยโดยพฤติกรรมหรือความคิด (คือบอกว่าต้องมีทั้งสองส่วนของนิยามจึงจะเป็นความจำ) (Moscovitch 2007)

คำถามหนึ่งที่สำคัญยิ่งในประสาทวิทยาศาสตร์เชิงประชานก็คือ ข้อมูลและประสบการณ์ทางใจเกิดการเข้ารหัสและการสร้างตัวแทนในสมองได้อย่างไรนักวิทยาศาสตร์ได้ความรู้เกี่ยวกับเรื่องการเข้ารหัสผ่านงานวิจัยต่าง ๆ เกี่ยวกับสภาพพลาสติก (plasticity) ของระบบประสาทแต่งานวิจัยเช่นนี้โดยมากมักจะโฟกั้สที่การเรียนรู้ง่าย ๆ ในวงจรประสาทง่าย ๆ แต่ยังไม่มีความชัดเจนของความเปลี่ยนแปลงในระบบประสาทเกี่ยวกับความจำที่ซับซ้อนโดยเฉพาะอย่างยิ่งในความจำเชิงประกาศที่ต้องเก็บทั้งข้อมูลความจริงและเหตุการณ์ต่าง ๆ (Byrne 2007)

การเข้ารหัส

การเข้ารหัสของความจำใช้งาน (working memory) รวมการทำงานของนิวรอนที่เกิดขึ้นเพราะข้อมูลทางประสาทสัมผัส ที่คงอยู่แม้หลังจากข้อมูลทางประสาทสัมผัสนั้นหมดไปแล้ว (Jensen and Lisman 2005; Fransen et al. 2002) ส่วนการเข้ารหัสของความจำอาศัยเหตุการณ์มีความเกี่ยวข้องกับความเปลี่ยนแปลงอย่างถาวรในโครงสร้างโมเลกุลที่ปรับเปลี่ยนการส่งสัญญาณผ่านไซแนปส์ระหว่างนิวรอน ตัวอย่างของการเปลี่ยนแปลงโดยโครงสร้างเช่นนี้พบได้ในกระบวนการ long-term potentiation (LTP) และ spike-timing-dependent plasticity (STDP) การทำงานที่คงอยู่ได้ในความจำใช้งานสามารถเพิ่มสมรรถภาพความเปลี่ยนแปลงที่ไซแนปส์และที่เซลล์ในการเข้ารหัสความจำอาศัยเหตุการณ์ (Jensen and Lisman 2005) .

ความจำใช้งาน

งานวิจัยในปี ค.ศ. 2005 พบสัญญาณบ่งความจำใช้งานทั้งในสมองกลีบขมับส่วนใน (medial temporal lobe ตัวย่อ MTL) ซึ่งเป็นส่วนสมองที่มีความสัมพันธ์ระดับสูงกับความจำระยะยาว และใน prefrontal cortex[40] ซึ่งบอกเป็นนัยถึงความสัมพันธ์ที่มีกำลังระหว่างความจำใช้งานและความจำระยะยาว แต่ว่า สัญญาณบ่งความจำใช้งานที่มีกำลังกว่าในสมองกลีบหน้าแสดงว่า สมองกลีบหน้ามีบทบาทที่สำคัญกว่าเกี่ยวกับความจำใช้งาน (Suzuki 2007)

การทำความจำให้มั่นคง

ความจำระยะสั้น (Short-term memory ตัวย่อ STM) นั้นชั่วคราวและไวต่อการรบกวน ในขณะที่ความจำระยะยาว (long-term memory ตัวย่อ LTM) ที่มีการทำให้มั่นคงแล้ว จะคงทนและมีเสถียรภาพ ส่วนการเปลี่ยนความจำระยะสั้นไปเป็นความจำระยะยาวในระดับโมเลกุลเชื่อกันว่าเกิดจาก 2 กระบวนการ คือ synaptic consolidation (การทำการส่งสัญญาณผ่านไซแนปส์ให้มั่นคง) และ system consolidation (การทำความจำให้มั่นคงในทั้งระบบ) กระบวนการแรกเกิดจากกระบวนการสังเคราะห์โปรตีนในสมองกลีบขมับด้านใน (MTL) ในขณะที่กระบวนการหลังเป็นการเปลี่ยนความจำที่ต้องอาศัย MTL ไปเป็นความจำที่เป็นอิสระจาก MTL ซึ่งใช้เวลาหลายเดือนจนถึงหลายปี (Ledoux 2007)

ในปีที่ผ่าน ๆ มานี้ ความเชื่อเดิม ๆ เหล่านี้ได้เริ่มมีการตรวจสอบใหม่เพราะผลจากงานวิจัยต่าง ๆ ในประเด็น reconsolidation (การทำความจำให้มั่นคงอีก) คืองานวิจัยเหล่านี้พบว่า ถ้ามีตัวรบกวนเกิดขึ้นหลังจากการค้นคืนความจำที่มีอยู่แล้ว จะมีผลต่อการค้นคืนความจำนั้น ๆ ต่อไปอีก (Sara 2000) นอกจากนั้นแล้ว งานวิจัยต่าง ๆ เริ่มตั้งแต่ปี ค.ศ. 2000 แสดงว่า การให้ยายับยั้งการสังเคราะห์โปรตีน (protein synthesis inhibitor) หรือสารประกอบอื่น ๆ อีกหลายอย่าง หลังจากการค้นคืนความจำ จะนำไปสู่ภาวะเสียความจำ (Nadel et al. 2000b; Alberini 2005; Dudai 2006) ผลงานวิจัยเหล่านี้เกี่ยวกับ reconsolidation เข้ากันกับหลักฐานทางพฤติกรรมว่า ความจำที่ค้นคืนมานั้นไม่ใช่เป็นสิ่งที่เหมือนกับประสบการณ์เดิมจริงร้อยเปอร์เซ็นต์ และจะเกิดการปรับเปลี่ยนเมื่อมีการค้นคืน