神经科学家一直认为，在学习时，大脑只会增强神经元之间的神经突触连接。但近年来，一些新的研究表明神经元之间突触连接的增强，并不能完全解释大脑在学习过程中的变化。而最让人惊讶的一个发现是，我们在学习和记忆时，神经元轴突上的“绝缘层”的厚度会发生变化，而这种厚度的变化，可以调节神经信号的传递，让大脑不同区域的神经元在电活动上实现同步——这一点，在我们的学习和记忆过程中起着关键作用。
人类的大脑是如何完成学习任务的？这方面的研究可以追溯到伊万·巴甫洛夫（Ivan Pavlov）的经典反射实验。在这个实验中，他发现狗一听到铃声，就会流出口水。1949年，加拿大心理学家唐纳德·赫布（Donald Hebb）利用巴甫洛夫的“联想学习法则”（associative learning rule），解释了大脑细胞获取新知识的机制。赫布提出，当两个神经元一起被激活，并且同时产生信号时，它们之间的突触连接会变得更强。如果发生这种情况，就说明大脑正在学习。这个观点引出了一个被广泛接受的理论：一起放电的神经元，是通过神经突触相连的。
这一理论比较详细地描述了学习过程中，神经突触在分子层面的变化，并且得到了很多证据的支持。但是，并不是所有奖赏或惩罚我们都会记得，实际上大多数经历都被遗忘了。有时候，即使神经突触能被一起激活，但它们并没有连接在一起。我们的大脑能否保留记忆，其实取决于很多因素，比如我们对某次经历的情感反应；这是不是一次全新的体验；这次经历是在什么时间和地点发生的……随后，在睡觉时，我们的大脑会对这些想法和感受进行加工处理。到目前为止，我们一直专注于研究神经突触，对于大脑学习及记忆的机制，我们也有了一些粗略的理解。
事实证明，仅仅增强神经突触，是没法产生记忆的。为了形成连贯的记忆，整个大脑需要产生大量的变化。无论是回忆昨天晚餐时与客人的对话，还是学会骑自行车等后天技能，大脑多个不同区域的数以百万计的神经元都需要产生神经活动，形成包括情感、画面、声音、气味、事情经过和其他体验在内的连贯记忆。
因为学习过程涉及到生活体验的很多要素，所以在这一过程中，除了突触变化外，必定也会有很多其他细胞活动参与进来。这种认识也让科学家开始寻找新的方式，来理解神经信号如何在大脑中传输、处理和存储，进而让大脑完成学习过程。在过去十年中，神经科学家已经意识到，人类大脑表层的灰质并不是唯一参与永久记忆形成的区域。研究发现，大脑皮层下方的区域在学习中也发挥着关键作用。最近几年中，我的研究团队和其他研究人员通过一系列的研究阐明了相关的过程。这些研究有益于发现治疗精神障碍和发育障碍的新方法，这两种健康问题往往和学习障碍有关。