Nel corso degli anni ottanta Brunelli continuò gli studi sul ruolo della serotonina e del calcio intracellulare nella modulazione sinaptica prendendo come modello di studio ideale la sanguisuga. Il sistema nervoso di questo anellide, costituito da una catena di gangli interconnessi con neuroni relativamente grandi e facilmente accessibili, si presta bene alla registrazione elettrofisiologica. Ciò ha permesso di compiere grandi passi avanti nella comprensione dei processi dell'abitudine e della sensibilizzazione. In particolare, è stato individuato il ruolo dell'acetil-L-carnitina nell'influenzare l'espressione genica neuronale. Le ricerche di Brunelli sui meccanismi neurofisiologici e molecolari della memoria si svolgeranno ininterrottamente fino al 2013.