Воодушевившись результатами своих прежних экспериментов с апли- зиями, Кандел пригласил целую группу талантливых исследователей, в том числе физиологов и микробиологов, для того, чтобы помочь ему разобраться с физическими проявлениями краткосрочной и долгосрочной памяти. Они начали тщательно, «клетка за клеткой» отслеживать движение нейронных сигналов моллюска, возникавших по мере того, как животное адаптировалось к внешним стимулам, таким как прикосновение к туловищу или электрический удар. Выводы экспериментов быстро подтвердили идею Эббингхауза: чем многократнее повторяется событие, тем дольше живут связанные с ним воспоминания. Повторение способствует консолидации.
Однако в процессе изучения физиологических последствий повторения и их влияния на отдельные нейроны и синапсы учёные обнаружили кое-что странное. Изменилась не только концентрация нейромедиаторов в синапсах (что привело к усилению и ослаблению существовавших связей между нейронами) - сами нейроны начали выращивать совершенно новые синаптические терминали. Иными словами, формирование долгосрочных воспоминаний приводит не только к биохимическим, но и к анатомическим изменениям. Кандел понял, что новые белки образуются в организме именно с этой целью. Белки играют крайне важную роль в проведении структурных изменений в клетках.
Анатомические изменения даже в сравнительно простых цепях мозга моллюсков можно было назвать значительными. В одном случае исследователи обнаружили, что перед консолидацией долгосрочной памяти у обычного сенсорного нейрона было около 1300 синаптических связей примерно с 25 другими нейронами. Лишь 40 процентов из этих связей были активными, то есть посылающими сигналы с помощью нейромедиаторов.
После формирования долгосрочного воспоминания количество синаптических связей выросло более чем в 2 раза (достигнув 2700), а доля активных связей возросла с 40 до 6о процентов. Новые синапсы сохранялись до тех пор, пока сохранялось воспоминание. Когда же воспоминанию было позволено угаснуть (вследствие снижения частоты повторения), количество синапсов постепенно снижалось примерно до 1500. Тот факт, что даже после забывания воспоминания количество синапсов остаётся чуть более высоким, чем было изначально, помогает понять, почему человеку проще запоминать что-то после второй попытки.
В своих мемуарах под названием «В поисках памяти», опубликованных в 2006 году, Кандел писал, что с помощью ряда новых экспериментов с аплизи- ями «мы смогли впервые увидеть, что количество синапсов в мозге человека не является фиксированным - оно изменяется в процессе обучения! Более того, долгосрочные воспоминания существуют, пока сохраняются анатомические изменения». Исследование также показало, в чём заключается основная физиологическая разница между двумя типами памяти: «Краткосрочная память приводит к изменениям в функционировании синапса, усилению или ослаблению ранее существовавших связей; долгосрочная память требует анатомических изменений». Результаты экспериментов Кандела в точности соответствовали открытиям в области нейропластичности, сделанным Майклом Мерценихом и другими. Дальнейшие эксперименты позволили понять, что биохимические и структурные изменения, связанные с консолидацией воспоминаний, происходят не только у моллюсков. Они происходят в мозге и других животных, в том числе приматов.
Кандел и его коллеги смогли раскрыть несколько секретов, связанных с памятью на клеточном уровне. Теперь же они захотели пойти глубже и изучить молекулярные процессы, происходящие внутри клеток. Как позднее вспоминал Кандел, исследователи «ступали на совершенно неизведанную территорию». Сначала они изучили молекулярные изменения, возникающие в синапсах при формировании краткосрочных воспоминаний. Они обнаружили, что этот процесс не ограничивается передачей нейромедиатора (в данном случае глутамата) от одного нейрона к другому. В процесс вовлекались и другие клетки, под названием промежуточные нейроны (интернейроны). Промежуточные нейроны производят нейромедиатор серотонин, служащий для тонкой настройки синаптической связи и модулирующий количество глутамата, выпущенного в синапс. Работая с биохимиками Джеймсом Шварцем и Полем Грингардом, Кандел открыл, что тонкая настройка возникает с помощью серии молекулярных сигналов. Серотонин, выпускаемый промежуточным нейроном, присоединяется к рецептору на мембране пресинапти- ческого нейрона - нейрона, несущего электрический импульс, что приводит к химической реакции, в результате которой нейрон производит молекулу под названием циклический АМФ25. Циклический АМФ, в свою очередь, активизирует белок под названием протеинкиназа А, каталитический фермент, заставляющий клетки выпустить ещё больше глутамата в синапс, тем самым усиливая синаптическую связь, продлевая электрическую деятельность в связанных нейронах и позволяя мозгу активировать краткосрочную память на несколько секунд или минут.