La sua attività di ricerca si indirizzò successivamente allo studio dei meccanismi neurobiologici della memoria e dell’apprendimento non associativo in modelli animali, quali la lumaca di mare Aplysia. Uno dei principali contributi è stata l’identificazione dell’AMP ciclico quale secondo messaggero nella trasduzione dell’impulso nervoso. A metà degli anni settanta era noto che la serotonina agiva sui terminali dei neuroni sensoriali incrementando il rilascio di neurotrasmettitore nella fessura sinaptica, ma il meccanismo di azione non era conosciuto. Brunelli e collaboratori iniettarono AMP ciclico, il cui ruolo come molecola mediatrice era ben stabilito, direttamente nel terminale presinaptico e osservarono che la trasmissione nervosa ne risultava facilitata.