Нейрофизиологический рівень вивчення механізмів пам'яті на сучасному етапі все більш зближається і нерідко прямо замикається з біохімічним. Це підтверджується численними дослідженнями, проведеними на стику зазначених рівнів. На основі цих досліджень виникла, зокрема, гіпотеза про двоступінчатому характер процесу запам'ятовування. Суть її полягає в наступному. На першій стадії (безпосередньо після дії подразника) в мозку відбувається короткочасна електрохімічна реакція, що викликає оборотні фізіологічні зміни в клітинах. Друга стадія, що виникає на основі першої, - це власне біохімічна реакція, пов'язана з утворенням нових білкових речовин (протеїнів). Перша стадія триває секунди або хвилини, і її вважають фізіологічним механізмом короткочасного запам'ятовування. Друга стадія, що приводить до незворотних хімічних змін у клітинах, вважається механізмом довготривалої пам'яті.

Якщо піддослідні тварини навчати чогось нового, а потім вмить перервати короткочасну електрохімічну реакцію до того, як вона почне переходити в біохімічну, то тварина не зможе згадати те, чому його навчали.

В одному досвіді щура поміщали на майданчик, що знаходиться на невеликій висоті від підлоги. Тварина відразу ж спадає йому на підлогу. Однак, відчувши одного разу біль від електричного розряду при соскаківаніі, щур, поміщена на майданчик навіть через 24 години після досвіду, не стрибали з неї більше і чекала, поки її знімуть. У другий пацюки перервали реакцію короткочасного запам'ятовування відразу після здобуття нею больового відчуття. На другий день щур вела себе так, немов з нею нічого не сталося.

Відомо, що тимчасова втрата свідомості у людей також приводить до забування того, що відбувалося в безпосередньо передує цій події період.

Можна думати, що стирання схильні ті сліди дії, які не встигли закріпитися внаслідок припинення короткочасних електрохімічних реакцій ще до початку відповідних біохімічних змін.

Прихильники хімічних теорій пам'яті вважають, що специфічні хімічні зміни, що відбуваються в нервових клітинах під дією зовнішніх подразників, і лежать в основі механізмів процесів закріплення, збереження і відтворення слідів.