הגישה הפסיכואנליטית טוענת שקיימות שלוש רמות שבהן מיוצג הזיכרון: רמת המודע, רמת הקדם מודע (שממנה ניתן לשלוף זיכרונות על פי צורך) ורמת הלא-מודע (שבה מאוחסנים זיכרונות על ידי מנגנוני הגנה שמונעים את הגישה עליהם). על פי זיגמונד פרויד מטרת הטיפול הפסיכואנליטי הוא להעלות זיכרונות מהתת-מודע למודע כדי להתמודד איתם על ידי ניתוח של חלומות, פליטות פה והיפנוזה. עם זאת, עצם קיומים של זיכרונות מודחקים טרם הוכח מבחינה מדעית.
הרמן אבינגהאוס נחשב כחוקר הראשון שחקר את מנגנון הזיכרון האנושי. את המחקר הוא ניהל על עצמו כאשר הטיל על עצמו ללמוד בעל פה צירופי הברות חסרי משמעות.
בשנים האחרונות החלה להתפתח גישה חדשה החולקת על מודל שלושת המאגרים. תומכי הגישה טוענים שאין הפרדה ברורה בין זיכרון העבודה לזיכרון לטווח ארוך. הם מציעים מודל אלטרנטיבי - מודל הרמות. לפי מודל זה קיימות רמות רבות של זכירה. זיכרון נקרא "עקבה", וככל שהוא יהיה עמוק יותר (משמעותי יותר, בולט יותר, או שחשוב לאדם לזכור אותו), כך הזמן שיידרש לו כדי להימחק יהיה ארוך יותר.
למרות העניין הגדול שהיה תמיד למדענים, כמו גם לציבור הרחב, בתיאור המנגנון הביולוגי של הלמידה והזיכרון, ההתקדמות שנעשתה בפענוחו הייתה לא גדולה עד לעשורים האחרונים, ועד היום רב הנסתר על הגלוי בשרשרת התהליכים היוצרים את הזיכרון ומשמרים אותו. הסיבה לעיכוב זה נעוצה בין היתר בשני מכשולים גדולים העומדים בפני החוקרים. המכשול הראשון הוא בעיית היחס שבין האות לרעש, או במילים אחרות השינוי החל בפעילות תאי המוח בעת שנוצר בו זיכרון חדש קטן מאוד ביחס לשינויים שיצרו זיכרונות קודמים וביחס לפעילות הרקע הקיימת בו. במשך זמן רב סברו רוב המדענים כי שינוי כזה הוא קטן מידי לאיתור. המכשול השני הוא בעיית המיקום: היכן בדיוק במרחבי המוח אגורים הזיכרונות? נמצא כי אין אתר יחיד בו נשמרים כל זיכרונותינו, אלא זיכרונות שנרכשו בעזרת קלטים חושיים שונים יאגרו באזורי מוח שונים. כך למשל, זיכרון דמותה של סבתך שמור במקום אחר מאשר ריחן של העוגיות אותן נהגה לאפות בערב שבת. זאת, אף על פי שריחן של אותן עוגיות דיו לפעמים כדי להעלות את דמותה לנגד עיניך. בעיה זו של מציאת מיקומו של זיכרון נתון מוסיפה נדבך נוסף לקושי: לא ניתן לחקור את השינוי המושרה בקבוצת תאים אם מיקומה אינו ידוע.
כדי להתגבר על שני מכשולים אלו נקטו בתחילה הנוירו-ביולוגים בשתי אסטרטגיות עיקריות. האחת היא למקד את מחקריהם בפענוח מנגנוני הזיכרון בבעלי חיים פשוטים כגון רכיכות ימיות, להם מערכת עצבים פשוטה בהרבה משל מוחות היונקים ולכן גדול יותר הסיכוי לאתר בהם את קבוצת התאים המשתתפת ביצירה ואגירה של זיכרון נתון. השנייה הוא יצירתם של שינויים בתאי המוח מזוהים של יונקים בעזרת גירוי חשמלי בעוצמה ותדר גבוהים, בהנחה ששינויים ארוכי-טווח כאלו דומים לפחות במידה כלשהי לשינויים המושרים בעת יצירת הזיכרון. התוצאות שהושגו בניסויים אלו, בעיקר ברבע האחרון של המאה הקודמת, סללו את הדרך בפני ניסויים מאוחרים יותר הנערכים בעיקר בשני העשורים האחרונים בתאי עצב ממוחות של יונקים בעקבות אימון החיות במטלות המחייבות למידה. השימוש בשלוש דרכי מחקר אלו נעשה כיום במקביל.
כלל מרכזי לאורו הולכים חוקרי הביולוגיה של הזיכרון נוסח בספרו הידוע של הפסיכולוג דונלד הב (Donald Hebb The organization of behavior) שפורסם ב-1949. כלל זה קובע בקצרה כי הקשר בין שני תאים הקשורים ביניהם בקשר סינפטי יתחזק אם יפעלו יחדיו. חיזוק זה יבוא לידי ביטוי בכך שהפעלתו של תא הפלט תגרום לפעילות מוגברת בתא הקלט. ואכן חיזוק כזה של הגברה בקשר הסינפטי נצפה אחרי למידה, כמו גם אחרי גירוי חשמלי. סוג אחר של שינוי תלוי-למידה שנצפה הוא הגברה בפעילותם החשמלית של תאי עצב, הנובע לא משינוי בעוצמת קשרים הסינפטיים אלא משינויים פנימיים בתאים עצמם, המגבירים את יכולת העירור שלהם ולכן גם את פעילותם החשמלית. קל לראות כי שני סוגי שינויים אלו ישפיעו אחד על השני: הגברה בעירור תאי העצב תעלה את פעילותם ולכן תתרום לחיזוק הקשרים הסינפטיים שביניהם. התמונה המצטיירת ממחקרים אלו מאפשרת לתת תיאור ראשוני של שורת התהליכים היוצרים זיכרונות ארוכי טווח במוח היונק.
ההתקדמות המהירה החלה בפענוח מנגנוני הזיכרון בבעלי חיים ובבני אדם פותחת פתח לתקווה כי נוכל בעתיד להציע תשובות לשתי בעיות בהן נתקל כל אדם מתישהו במהלך חייו. האחת היא כיצד נוכל להגביר את יכולתנו לאגור זיכרונות רצויים, בעיה שבדרך כלל הולכת ומחריפה עם הגיל. השנייה היא כיצד נוכל להיפטר מזיכרונות בלתי רצויים, כאלו המפריעים למהלך חיינו התקין. התשובות לשתי שאלות אלו נראות כבר באופק, אם כי אינן מצויות עדיין בהישג ידינו.
"היפרתימזיה" היא מצב רפואי נדיר בו אנשים זוכרים כל פרט ופרט בחייהם למשך שנים רבות. הם מסוגלים להזכר בפרט בודד ממידע זה באופן מדויק ותוך שניות בודדות. נכון ל-2011 ידעו על פחות ממאה אנשים בהם מתקיים המצב הרפואי הזה.
מבנה ואופן הפעולה.
מודל שלושת המאגרים.
הזיכרון שאליו מתייחסים רבות כמונח יחיד, מורכב למעשה ממספר מרכיבים השונים זה מזה במאפייניהם. לפי "מודל שלושת המאגרים", שהוצע לראשונה על ידי אטקינסון ושיפרין בשנת 1968, הזיכרון האנושי מורכב משלושה מאגרים: זיכרון חושי, זיכרון לטווח קצר וזיכרון לטווח ארוך. מאגרים אלו מתארים את מסלול קידוד המידע בזיכרון, שהוא הפוך למסלול השליפה של מידע מהזיכרון.
שלב ראשון – זיכרון חושי.
פעולת הזיכרון החושי היא כאשר גירוי חיצוני גורם ליצירת דפוס פעולה פיזיולוגי במערכת החישה ועותק של גירוי זה נשמר בזיכרון החושי לזמן קצר מאוד. הזיכרון החושי הוא הזיכרון בעל הטווח הקצר ביותר, למשך מספר שניות, אך הוא מאגר בעל קיבולת בלתי מוגבלת, כשהמידע בו נקלט מהחושים ונשמר באופן פסיבי ולא מודע, כאשר ניתן לשלוף את המידע גם לאחר הסרת הגירוי המקורי. זמן זה מאפשר לתהליכים קוגניטיביים לסנן את הפרטים החשובים מתוך שלל הגירויים מהסביבה, כך שרק המידע הנבחר עובר באופן זמני אל השלב הבא של הזיכרון לטווח קצר. הזיכרון החושי מסביר את התופעה לפיה כאשר מתבוננים לרגע בשורה ובה 12 ספרות ועוצמים עיניים – רוב האנשים יוכלו לדווח על 4 או 5 בממוצע; חוקרים הוכיחו אפוא שספרות רבות יותר נקלטות במוח, אולם השכחה כל כך מהירה, שעד שהאדם מדווח על הספרה הרביעית או החמישית, הוא כבר אינו זוכר ספרות נוספות.
ישנם מספר סוגים של זיכרון חושי, בהתאם לכל אחד מחושי האדם. הנחקרים ביותר הם:
שלב שני – זיכרון לטווח קצר.
זיכרון קצר מועד (או גם זיכרון ראשוני) ומתבסס על פעילות אלקטרו־כימית של נוירונים מעוררים. לעיתים קרובות נעשה שימוש בזיכרון מסוג זה לשם ביצוע משימות כמו זכירתו של מספר טלפון לצורך הקלדה חד פעמית. הזיכורן לטווח קצר הוא חיוני לפעולות הדורשות חשיבה מודעת; מכיוון שהמידע בו נשמר בדרך כלל עד כ־20 שניות, אם לא יעבור דחף עצבי נוסף במסלול הזיכרון הנוצר בזיכרון לטווח הקצר, הזיכרון יישכח. בזיכרון לטווח קצר מאוחסנים באופן זמני פרטי מידע שהתקבלו מהזיכרון החושי והם מקודדים לרוב על בסיס צלילי־פונולוגי, המבוסס על השמיעה. מידע זה מיוצג על ידי השינוי הזמני שחל בפעילות החשמלית של נוירונים במסגרת תהליך הלמידה, מכיוון שזוהי החזקה פעילה של המידע במודעות, ישנה גמישות במשך הזמן שניתן לשמור את המידע, ובכמותו, על ידי שינון. המידע הנשמר לטווח קצר יכול להתגבש ולעבור לזיכרון לטווח ארוך; כשממנו יוכל להישלף שוב לזיכרון לטווח הקצר בתהליך של היזכרות.
אחד ממרכיבי הזיכרון לטווח הקצר הוא זיכרון העבודה. יש שונות לגבי התפיסה וההגדרה של זיכרון העבודה בתחומי מחקר שונים. בפסיכולוגיה הקוגניטיבית מתייחסים אליו כמודל מורכב של הזיכרון לטווח קצר, אשר מתמקד בתפקיד שלו בביצוע פעולות מנטליות. להבדיל מכך, במדעי המוח מתייחסים אליו באופן הדומה יותר להגדרה הקוגניטיבית של קשב.
שלב שלישי – זיכרון לטווח ארוך.
זיכרון לטווח ארוך הוא מאגר מידע לא מוגבל המכיל את המידע שעבר סינון מהזיכרון לטווח קצר. חלק מתהליך הבניית הזיכרון לטווח הארוך הוא המרת המידע המידי (נקראת גם "התגבשות"), תהליך זה דורש זמן רב אך מוביל לייצוב ועמידות הזיכרון אל מול גורמים חיצוניים וגירויים שונים (כמו פציעות, מחלות ותמותה נורמטיבית). ככל שיחזור אדם על אותו מידע מספר רב יותר של פעמים, רשת הקשרים הכימיים המרכיבה את פיסת המידע במוחו תתחזק, ויגדל הסיכוי שמידע זה יעבור לזיכרון לטווח הארוך; על כן, יותר לאחזר מידע שקשור לידע קודם מאשר לבנות ידע חדש לחלוטין. לרוב, הזיכרון לטווח ארוך מבוסס על חוויות הקשורות לרגשות האדם או זיכרונות הנשמרים באמצעות שינון. על פי רוב, המידע מקודד בזיכרון לטווח ארוך בקוד סמנטי המייצג משמעות מופשטת והוא מאוחסן כחלק ממערך של זיכרונות ומידע שכבר היה קיים באותה מערכת זיכרון.
נהוג לחלק את הזיכרון לטווח ארוך באופן הבא:
זיכרון מפורש – נקרא גם זיכרון מוצהר או דקלרטיבי, משום שהוא מכיל מידע שניתן להצהיר עליו. הוא מתאפיין בכך שאת הידע המאוחסן בו ניתן לתאר בקלות במילים והוא נשלף באופן מודע וגמיש, כך שיכול להיות מובע באופן השונה מזה שבו הוא נרכש. לידע דקלרטיבי יש נטייה גבוהה יחסית לשכחה. הזיכרון המפורש מאפשר זיהוי והכרת מילים ריחות קולות שמות והכרת עובדות עולמיות כמו "אדמה נמצאת למטה". זיכרון מחולק לשני מרכיבים: