การศึกษาเรื่องโรคต่าง ๆ เป็นสิ่งสำคัญในการสร้างความเข้าใจในระบบความจำต่าง ๆ เพราะว่า ความสามารถและความบกพร่องทางความจำของคนไข้โรคต่าง ๆ มีบทบาทสำคัญในการแสดงว่าความจำระยะยาวจริง ๆ แล้วเป็นความจำประเภทต่าง ๆ กัน หรือโดยเฉพาะก็คือ เป็นความจำเชิงประกาศ (declarative memory) และความจำเชิงกระบวนวิธี (procedural memory)นอกจากนั้นแล้ว คนไข้ก็มีความสำคัญในการแสดงโครงสร้างต่าง ๆ ของสมองที่เป็นฐานเครือข่ายประสาทของความจำเชิงกระบวนวิธี

โรคอัลไซเมอร์และสมองเสื่อม

ผลงานวิจัยในปัจจุบันแสดงว่า ปัญหาความจำเชิงกระบวนวิธีของคนไข้อัลไซเมอร์อาจมีเหตุมาจากความเปลี่ยนแปลงในการทำงานของเอนไซม์ในเขตสมองที่ทำหน้าที่รวบรวมความจำเช่นเขตฮิปโปแคมปัสเอนไซม์โดยเฉพาะที่มีบทบาทในความเปลี่ยนแปลงเหล่านั้นเรียกว่า acetylcholinesterase (AchE)ซึ่งอาจจะได้รับผลกระทบจากแนวโน้มทางกรรมพันธุ์เกี่ยวกับหน่วยรับความรู้สึก (receptor) ที่อยู่ในสมองที่มีบทบาทในระบบภูมิคุ้มกัน เป็นหน่วยรับความรู้สึกที่เรียกว่า histamine H1 receptorงานวิจัยเหล่านั้นพบด้วยว่า สารสื่อประสาทต่าง ๆ คือโดพามีน เซโรโทนิน และ acetylcholine มีระดับที่ต่าง ๆ กันในซีรีเบลลัมของคนไข้งานวิจัยในปี ค.ศ. 2008 เสนอความคิดว่า ระบบฮิสตามีนอาจเป็นเหตุของความบกพร่องทางประชานที่พบในคนไข้ และของปัญหาความจำเชิงกระบวนวิธีที่อาจเกิดขึ้นเนื่องจากความผิดปกติทางจิต (psychopathology)[51]

Tourette syndrome

โรคในระบบประสาทกลางที่เรียกว่า Tourette syndrome (ความผิดปกติที่มีอาการกล้ามเนื้อกระตุกชนิดเคลื่อนไหวหลายชนิดร่วมกับชนิดเปล่งเสียง) โดยคล้ายกับโรคเกี่ยวกับความจำเชิงกระบวนวิธีมากมายอื่น ๆ มีความเกี่ยวข้องกับความเปลี่ยนแปลงในเขตใต้คอร์เทกซ์ที่สัมพันธ์กันที่เรียกว่า striatumเขตนี้และวงจรประสาทอื่น ๆ ที่ทำงานร่วมกันอย่างใกล้ชิดจาก basal ganglia ได้รับผลกระทบทั้งโดยโครงสร้างและโดยกิจในคนไข้โรคนี้ บทความที่มีอยู่ในปัจจุบันเกี่ยวกับประเด็นนี้แสดงหลักฐานว่า มีรูปแบบพิเศษหลายหลากของความจำเชิงกระบวนวิธีโดยมีส่วนที่น่าสนใจว่า รูปแบบความจำเชิงกระบวนวิธีที่มีผลกระทบมากที่สุดที่สามัญที่สุดของคนไข้ Tourette Syndromeเป็นเรื่องเกี่ยวกับกระบวนการเรียนรู้ทักษะที่เชื่อมสิ่งเร้ากับการตอบสนองในช่วงการเรียนรู้ (เช่นใน probabilistic classification task เช่นงานพยากรณ์อากาศ)[52]

เอชไอวี

ระบบประสาทต่าง ๆ ที่มีบทบาทในความจำเชิงกระบวนวิธีมักเป็นเป้าหมายของเชื้อเอชไอวีโดยส่วน striatum เป็นโครงสร้างที่ได้รับผลอย่างเห็นได้ชัดที่สุด[53] งานวิจัยที่ใช้ MRI แสดงความฝ่อในเขตใต้คอร์เทกซ์ส่วน basal ganglia และความผิดปกติของเนื้อขาว (white matter) ในเขตต่าง ๆ ที่สำคัญต่อทั้งความจำเชิงกระบวนวิธีและทักษะการเคลื่อนไหว[54] งานวิจัยประยุกต์ที่ใช้งานทดสอบต่าง ๆ เพื่อตรวจสอบความจำเชิงกระบวนวิธีเช่น pursuit rotor, การวาดรูปดาวโดยดูในกระจก, และการพยากรณ์อากาศ (โดยความน่าจะเป็นของไพ่ที่แสดง) แสดงว่าคนไข้เอชไอวีทำงานได้แย่กว่าคนปกติซึ่งบอกเป็นนัยว่า สมรรถภาพที่แย่กว่าโดยทั่ว ๆ ไปในงานต่าง ๆ เกิดจากความเปลี่ยนแปลงเฉพาะอย่าง ๆ ในสมองที่เกิดจากโรค[55]

โรคฮันติงตัน

แม้ว่าจะเป็นโรคที่มีผลโดยตรงต่อเขต striatum ต่าง ๆ ของสมองที่ใช้ในความจำเชิงกระบวนวิธีคนไข้โรคฮันติงตันโดยส่วนใหญ่กลับไม่แสดงปัญหาทางความจำเหมือนกับบุคคลอื่นที่มีโรคต่าง ๆ ในสมองที่มีผลต่อ striatum[56] แต่ว่าในคนไข้ระยะท้าย ๆ จะมีความเสียหายต่อความจำเชิงกระบวนวิธีที่เกิดจากความเสียหายต่อวิถีประสาทสำคัญต่าง ๆ ที่ช่วยการสื่อสารระหว่างเขตต่าง ๆ ใต้เปลือกสมองข้างใน (inner subcortical) กับเขตต่าง ๆ ใน prefrontal cortex[57]

โรคย้ำคิดย้ำทำ

งานวิจัยที่ใช้การสร้างภาพในสมอง (neuroimaging) แสดงว่าคนไข้โรคย้ำคิดย้ำทำ (Obsessive compulsive disorder ตัวย่อ OCD) ทำงานต่าง ๆ ที่ทดสอบความจำเชิงกระบวนวิธีได้ดีกว่าเพราะว่ามีการทำงานเกินกว่าปกติที่สังเกตเห็นได้ในโครงสร้างต่าง ๆ ใน striatum โดยเฉพาะในวงจรประสาทที่เชื่อมกับสมองกลีบหน้า (frontostriatal circuit)งานวิจัยเหล่านี้แสดงว่า ความจำเชิงกระบวนวิธีของคนไข้ OCD ดีกว่าปกติในระยะการเรียนรู้เบื้องต้น[58]

โรคพาร์กินสัน

เป็นที่รู้กันแล้วว่าโรคพาร์กินสันมีผลต่อเขตสมองต่าง ๆ ในสมองกลีบหน้าโดยเฉพาะข้อมูลวิทยาศาสตร์ปัจจุบันบอกเป็นนัยว่า ปัญหาสมรรถภาพความจำที่เห็นได้ชัดในคนไข้ เกิดจากการควบคุมโดยวงจรวงจรประสาทที่เชื่อมสมองกลีบหน้ากับ striatum (frontostriatal circuit) ที่ผิดปกติ[59] คนไข้โรคพาร์กินสันบ่อยครั้งประสบความยากลำบากเกี่ยวกับเรื่องลำดับการกระทำที่ต้องใช้ในระยะการเรียนรู้[60] หลักฐานอื่น ๆ แสดงด้วยว่า เครือข่ายประสาทต่าง ๆ ของสมองกลีบหน้ามีความเกี่ยวข้องกับกิจบริหาร (executive function) และจะเกิดการทำงานเมื่อคนไข้ต้องทำงานบางอย่างซึ่งแสดงว่า frontostriatal circuit เป็นวงจรอิสระแต่สามารถทำงานร่วมกับเขตอื่น ๆ ในสมองซึ่งช่วยในกิจต่าง ๆ เช่นการใส่ใจ คือการตั้งสมาธิ[61]

โรคจิตเภท

งานวิจัยที่ใช้ MRI แสดงว่าคนไข้โรคจิตเภทที่ไม่ทานยารักษามี putamen ขนาดเล็กกว่าปกติ putamen เป็นส่วนของ striatum ที่มีบทบาทที่สำคัญยิ่งในความจำเชิงกระบวนวิธี[62] งานวิจัยอื่น ๆ พบว่า คนไข้โรคจิตเภทมีการสื่อสารที่ไม่เหมาะสมระหว่าง basal ganglia กับส่วนรอบ ๆ extrapyramidal system ซึ่งรู้กันว่า มีบทบาทอย่างใกล้ชิดกับระบบสั่งการ (motor system) และการประสานการเคลื่อนไหว[63] ความเชื่อล่าสุดก็คือว่า ปัญหาการทำกิจใน striatum ของคนไข้โรคจิตเภทไม่มีนัยสำคัญพอที่จะทำการเรียนรู้เชิงกระบวนวิธีให้เสียหายอย่างรุนแรงแต่ว่า ก็ยังมีหลักฐานที่แสดงว่า ความเสียหายจะสำคัญพอที่จะสร้างปัญหาการพัฒนาทักษะจากการฝึกช่วงหนึ่งไปยังอีกช่วงหนึ่ง[64]