在细胞水平，长期功能改变的能力存在于中枢神经系统。但脑损伤对认知功能的影响的分析表明，在某些方面记忆不单纯是一个神经组织的弥散特性，而是脑内一定解剖结构的特化功能。
1 间脑与记忆加工
间脑与颞叶之间有大量的纤维连接，丘脑前核，丘脑背内侧核，下丘脑乳头体等间脑结构并在记忆中发挥作用。
2 内侧颞叶与记忆加工
脑损伤的病人或动物所导致的记忆障碍，均有内侧颞叶，尤其是海马结构的参与。
3 前额皮质与记忆加工
前额皮质是情节记忆的另一个重要脑区，人的前额皮质比其他动物相对发达，特别是额叶前端的前额皮质尤为发达。前额皮质参与复杂问题的解决，对未来的行为的规划等神经活动，而且执行这些活动需要工作记忆的参与。此外由于联络纤维将前额皮质与皮质的其他区域相互联系在一起，使得前额皮质能够接受视觉，听觉和躯体感觉的信息;前额皮质还与内侧颞叶和丘脑背侧内核有密切联系，从而增强前额皮质在学习与记忆中的重要作用
4 小脑和基底神经节与记忆的加工
许多研究表明小脑及基底神经节与记忆功能有关系，长时程抑制(long - term depression，LTD) 最早是在小脑中发现的，并且提出了小脑LTD 的Marr - Albers - Ito 模式，在该模式中LTD 在小脑运动学习中起到不断纠正错误信号的重要作用。基底神经节中的杏仁核通过海马环路影响长时程陈述性记忆的储存，也可以与肾上腺素，肾上腺皮质激素等应激激素等一起参加与情绪有关的长时程陈述性记忆。