诺贝尔奖不久后的1990年，利根川开始转入神经科学研究。他的实验室率先推出了哺乳动物系统中的转基因和基因敲除技术。在他参与的早期工作中，展示了（1992）和N-甲基-D-天门冬胺酸受体（1996）在记忆形成中的重要性。利根川的实验室发现，颞叶皮质中的树突状神经元棘突具有治疗脆性X综合症（FXS）的可能性。在使用一定剂量的FRAX586抑制剂后，他发现小白鼠模型中的FXS症状明显减少了。利根川是最早将光遗传学和生物技术导入神经科学研究领域的科学家，并做出了开创性的工作：识别和操纵记忆系统的细胞。201