Učenje in spomin nenehno spreminjata naše izkušnje o svetu, ki nas obdaja, posledično naše doživljanje okolice in naš odgovor nanj. Brez zmožnosti shranjevanja informacij in zmožnosti njihovega priklica v kateremkoli trenutki, bi bilo naše življenje zelo drugačno, prilagoditve na osnovi izkušenj pa nemogoče. Učenje in spomin sta med sabo zelo povezana, saj nam učenje omogoča pridobivanje znanja, spomin pa priklic in izražanje vsega, kar smo se kdaj naučili. Tako sta učenje in spomin glavni funkciji CŽS:
Spomin je zmožnost shranjevanja in priklica naučenih informacij. Delimo ga na kratkoročni in dolgoročni spomin. Kratkoročni spomin temelji na neprekinjeni živčni aktivnosti in plastičnosti sinaps, medtem ko dolgoročni temelji na strukturnih spremembah v živčni mreži. V kratkoživi spomin se shranjujejo vsi senzorični dražljaji, ki se pozabijo zelo hitro. Iz tega spomina se po procesu filtriranja del informacij kodira v kratkoživi spomin z omejeno kapaciteto.

Dolgoživi spomin ima praktično neomejeno kapaciteto. Delimo ga na eksplicitni in implicitni spomin. Eksplicitni ali deklerativni spomin (medialni del temporalnega lobusa z osrednjo vlogo hipokampusa, diencefalom, bazalni prosencefalon) zavzema dejstva in splošno zanje pa tudi osebno doživljanje dogodkov in ga lahko zavestno prikličemo. Zavestno pa ne moremo priklicati podatkov iz implicitnega ali nedeklerativnega spomina (bazalni gangliji in mali možgani), ki zavzema naučene motorične in kognitivne veščine.
Tretja vrsta spomina, ki pa je ne moremo uvrstiti niti med eksplicitni, niti med implicitni spomin, pa je emocionalni spomin (amigdal).

Mehanizem učenja in spomina je pri sesalcih zelo kompleksen, zato so preproste tipe (neasociativne) učenja raziskovali na preprostejših vretenčarjih, z enovrstnim dražljajem. Učenje je z izkušnjo pogojena relativno stalna sprememba v vedenju organizma.
Habituacija: pri ponavljajočem se šibkem dražljaju, postaja odgovor vedno manjši. Izpust nevrotransmitorja se pri zelo aktivni sinapsi namreč zmanjša, to pa se zgodi zato, ker se tok Ca ionov zmanjša zaradi inaktivacije presinaptičnih kalcijevih kanalčkov, ki so občutljivi na zaporedne akcijske potenciale- kratkoročna habituacija. Dolgoročna je posledica zmanjšanega števila sinaptičnih končičev.

Senzitizacija: pri ponavljanju močnega dražljaja pride do povečanega odgovora.
Pri tem morskem polžu (Aplysia) pa so preučevali tudi pogojno učenje (asociativno), pri katerem živčni sistem povezuje dva dražljaja:
Klasično pogojevanje: brezpogojni in pogojni dražljaj
Instrumentalno pogojevanje: dražljaj in posledica

Še bolj kompleksna oblika učenja pa je z opazovanjem in posnemanjem. Glavna hipoteza je, da se informacije v naše možgane shranjujejo s spremembami sinaptičnih povezav. Tako je eden izmed modelov, ki pojasnjuje učenje in nevronski model kratkoživega učenja, sestavljen iz dolgoročnega postetaničnega ojačanja (long term potentation LTP) in dolgoročnega postetaničnega slabljenja (long term depression LTD), ki se pojavljata v hipokampusu in neokorteksu.

Ponavljajoča aktivacija aferentnih poti v hipokampusu poveča odzivnost piramidnih celic, kar vodi v povišano amplitudo postsinaptičnega potenciala, zaradi prehodnega tetaničnega draženja sinapse. Povišani odgovori, torej LTP trajajo in vitro nekaj ur, in vivo pa cele tedne. Mehanizmi takšne ojačitve pa vključujejo presinaptične in postsinaptične dogodke.
LTD pa pomeni znižanje amplitude postsinaptičnega potenciala po predhodnem tetaničnem draženju sinapse.
Nevroplastičnost ali možganska plastičnost – so spremembe živčnih poti in sinaps zaradi vedenjskih, okoljskih , nevroloških procesov, razmišljanja, tudi telesnih poškodb. Plastičnost ovrže staro »hipotezo«, da so možgani fiziološko statičen organ, z njo pa ugotavljamo, kako in po katerih poteh se možgani spreminjajo skozi življenje. Plastičnost je prisotna v vseh obdobjih našega življenja.

Možgansko plastičnost srečamo na različnih ravneh – vse od sprememb na celični ravni, kot posledica učenja, do reorganiziranja možganske skorje po poškodbi. Lep primer za to je fantom senzorike udov. Pacient, ki je prestal amputacijo uda, pogosto čuti bolečino na manjkajočih udih. To naj bi bila posledica širjenja povezav iz okoliških predelov možganske skorje v kortikalne regije, ki so pripadale temu udu - primarni somatosenzorični korteks doživi reorganizacijo po izgubi senzoričnih dražljajev iz okolja (ni več uda). Korteks je lociran v postcentralnem gyrusu, ki dobiva dražljaje iz celega telesa.

Podoben primer reorganizacije korteksa je amputacija kazalca in sredinca roke. Pred operacijo ima vsak prst svoj predel v postcentralnem gyrusu. Po amputaciji pa to področje, ki so ga prej predstavljali amputirani prsti, sedaj zastopajo prsti, ki so bili sosednji amputiranemu. Korteks se je torej preoblikoval. Take spremembe so prisotne tudi po operacijah možganov.