记忆一般可以分成两种：持续时间以秒或分钟计的短期记忆和持续时间以小时、日、周或月计的长期记忆。短期记忆是细胞中已经存在的成分被磷酸化或其他化学基团修饰而建立的。而长期记忆则必须合成新的蛋白质，这就与基因表达有关了。例如，、果蝇中有一种叫CREB(cAMP-responsive element-binding protein)的蛋白质。如果将失去活性的creb基因置于热休克蛋白基因启动子控制之下，并将它和热休克蛋白基因一起导入果蝇，这种果蝇在37℃冲击下会产生无活性的CREB蛋白。然后，对突变果蝇和野生果蝇进行这样的实验：在用香味引诱的同时施以电击，看哪一种果蝇的记忆和学习能力更强。结果，CREB蛋白不能正常工作时(即creb基因失活，新蛋白质合成受阻时)果蝇的记忆与学习能力也严重下降。它们一再地被香味诱去，又一再地遭受电击却总不悔改。而含有野生型CREB蛋白的果蝇在少数几次“上当”后就学乖了，再不受那香味的引诱而免受电击。与此同时，还用CREB-a 和d 亚基缺失的基因剔除小鼠进行惊吓实验和水迷宫实验，也得出了同样的结论：长期记忆需要合成新的蛋白质。 这些实验结果怎麽样将基因表达与细胞内信号转导扯到一起呢？原来CREB是一种转录调节因子，它调控细胞核内基因的表达及其后的蛋白质生物合成。正如本节之一“信号转导的转录响应”所述，细胞内信号转导必然参与记忆和学习的发生与发展过程。 实际上，CREB在将细胞外刺激所诱发的细胞内信号传入细胞核的过程中起着重要的作用。细胞外的信号(配体)与细胞表面的信号接受装置——受体相互作用，激活了AMP环化酶，使细胞内cAMP的量大为增加。cAMP与蛋白激酶A(PKA)的调节亚基结合，PKA的催化亚基则将向细胞核移行的CREB蛋白磷酸化。这时，CREB的第133位丝氨酸残基被磷酸化，CREB也因而活化，并促使它的靶基因表达。与学习反射相关的感觉神经元和运动神经元需要与突触建立联系，实验表明5-羟色胺反复刺激所引起的cAMP和CREB信号转导确与长期记忆的建立有关。
哪些基因与记忆相关？既然信号转导与记忆有关，那麽鉴定被CREB激活的基因就很重要。一般说，分化的细胞在受到特定的细胞外刺激时，就能活化特定基因的表达，从而合成有功能的蛋白质，并发挥分化细胞的机能。比如，B淋巴细胞是专门产生抗体的。在抗原刺激下，免疫球蛋白基因被活化，抗体数量增加并发挥免疫功能。据认为，神经细胞中也有类似的情况。已经知道，突触传递是神经系统特有的对刺激作出应答的方式。可想而知，一定有与神经功能的表现相关的基因群被活化。了解这些基因群，无疑有助于阐明神经细胞的活动机理。有人用原代培养的神经细胞为实验材料，研究了一些在钙刺激下被激活的基因群及其诱导机制。此外，还知道谷氨酸是一种有代表性的兴奋性氨基酸，它作为神经传递物质在脑中起作用。最近克隆了谷氨酸受体，并证明它介导的信号转导在记忆与学习中起很大的作用。谷氨酸受体可以分为大离子透过型和大离子代谢型两类。离子透过型以离子通道方式起作用。它又有NMDA(N-甲基-D-天冬氨酸)型和非-NMDA型两种。后者又有红藻氨酸型和AMPA(alpha-氨基-3-羟基-5-甲基-4-isoxazolepropionate)型。而代谢型则与GTP结合蛋白有关。用谷氨酸刺激原代培养的大鼠海马神经细胞的NMDA受体(NMDA-R)和红藻氨酸受体(KA-R)，结果，不仅c-fos，而且脑源性的神经营养因子基因群(CaRGs——对钙响应的基因)都表达了。因此，认为CaRGs基因群的产物与谷氨酸刺激诱发的神经细胞的初始反应有关。实际上，BDNF作为神经营养因子除了能维持神经细胞的生存外，还能促进作用于前突触部位的神经传递物资的释放，因此与树状突起的发育有关。
