在探讨学习与记忆的生物学基础时，传统研究多集中于哺乳动物或灵长类动物，这些发现对理解人类学习的生理心理学机制至关重要。然而，近年来神经化学与神经行为学的结合，促使许多实验室转向无脊椎动物模型，以便在分子水平上解析学习机制。其中，海兔（Aplysia）学习模型尤为著名。

海兔是一种海洋无脊椎动物，其腹神经节含有大型神经元，便于细胞电生理研究。美国哥伦比亚大学的埃里克·坎德尔（E. R. Kandel）教授建立了海兔学习模型，精细分析了学习的神经基础。坎德尔早期工作聚焦于非联想式学习行为，揭示了习惯化和敏感化的电生理与生化基础。随后，其团队进一步研究了经典条件反射与非联想式学习的关系，并在细胞和分子水平上深入剖析了这些学习行为的机制。

在经典实验中，坎德尔团队以海兔吸管的简短刺激作为条件刺激（CS），尾部电击作为非条件刺激（US）。他们将海兔分为六组：第一组接受CS与US配对（间隔0.5秒，每5分钟一次）；第二组接受不配对的两种刺激（每2.5分钟交替呈现）；第三组每5分钟规律接受US，但CS随机呈现；第四组仅接受US（敏感化训练）；第五组仅接受CS（完全习惯化训练）；第六组为无刺激对照组。训练后立即及24小时后检测缩腮反应。结果显示，经典条件反射组海兔表现出最强的缩腮条件反应，敏感化组次之，而对照组和习惯化组反应最弱。

进一步比较第一组（经典条件反射）、第二组（部分习惯化）和第四组（敏感化）在习得行为保持中的差异。训练后第一天，经典条件反射组缩腮时间显著长于敏感化组，敏感化组又长于习惯化组。随后五天的重复检测表明，经典条件反射组反应从高峰逐日下降；敏感化组的易化现象在第二天仍明显；习惯化组的易化即使在第一天也不显著。分析指出：（1）经典条件反射中，CS与US的协同作用和暂时联系使缩腮反应最强；（2）敏感化组因未受CS作用，反应强于部分习惯化组；（3）部分习惯化组因CS导致部分习惯化，反应介于中间；（4）仅接受CS或无刺激的组从未受敏感化训练，反应最弱。

改变CS与US间隔发现，CS先于US 0.5秒时条件反射最强；间隔大于2秒或US先于CS均不能形成条件反射。这表明海兔的条件反射与脊椎动物经典条件反射具有相似规律，揭示其细胞基础对理解高等动物学习行为具有重要意义。

坎德尔团队应用微电极电生理技术，记录细胞单位电活动，并通过微电极刺激或微量注入5-羟色胺（5-HT）人为改变突触兴奋状态。他们证明，感觉神经元上的人为发放或5-HT注入可分别替代CS或US形成条件反射，但必要条件为CS处理先于US处理约1秒。此外，记录运动神经元兴奋性突触后电位（EPSP）发现，CS与US配对时EPSP显著强于未配对时。对比含钙离子（Ca²⁺）海水与无钙海水的作用，他们提出海兔经典条件反射与敏感化有共同细胞基础，即先于US的CS在感觉神经元引起突触前易化，该易化仅维持约1秒。分子水平上，突触前易化实质是加快环一磷酸腺苷（cAMP）代谢速率：CS在感觉神经末梢产生动作电位，导致Ca²⁺内流，激活腺苷酸环化酶，使cAMP增多，进而激活蛋白激酶，改变膜蛋白，增强离子通道功能。坎德尔承认该模型仍有许多未知环节。

与海兔学习行为相关的突触机制可能有四种：后紧张电位、突触前抑制、同源突触抑制和异源突触易化。突触前抑制和同源突触抑制发生在早期，可能与习惯化的短时记忆有关；后紧张电位和异源突触易化在成年后发挥作用，可能是敏感化的生理机制。

加拿大学者利用海兔离体制备，以轻触吸管为CS、腮强触为US，发现条件反射时CS激活吸管感觉神经元，但腮运动神经元发放与条件反应行为不平行，提示除感觉-运动神经元突触外，还有其他神经元参与。

坎德尔的海兔模型展示了当代学习生理心理学研究趋势：将电生理、生化与行为模型结合，从细胞和分子水平探讨学习基础。除海兔外，果蝇基因突变与学习记忆关系的研究表明，单一基因突变可影响多种模式的学习行为（如嗅觉、味觉、视觉、躯体感觉的阳性或阴性条件反应），这是由于突变引起酶特性变化，其中腺苷酸环化酶和磷酸二酯酶对cAMP代谢水平及神经元内浓度至关重要，因此单一基因突变对多种学习行为的作用提示这些酶是学习记忆过程中最一般、最必要的参与物质。