脑

解剖學

對於不同的物種來說，腦的形狀和尺寸差別很大，要在其中找出共同的特徵很困難。然而在很多物種的腦結構之間存在許多共同的規律。腦的各種結構特徵中，有一部分在幾乎所有動物之間都是共通的；而另外一些會出現在較「先進」的腦中，或者僅出現在脊椎動物中而不出現於無脊椎動物中。
要了解腦的解剖結構，最簡單的辦法就是從視覺外觀著手，但是人們也發展出了更先進的技術。自然狀態下的腦組織很軟，很難處理，但是在酒精或者其他固化劑中浸泡之後腦組織會硬化，從而很容易切開研究其內部結構。從外觀上，腦的內部分為顏色較暗的灰質和顏色較淺的白質。如果用不同的化學物質對腦組織染色，還可以顯示出不同類型的分子聚集在不同的地方。還可以使用顯微鏡研究腦組織，追蹤貫穿各個腦區域的神經聯結。

細胞構架

所有動物的腦都是主要由兩類細胞組成：神經元和神經膠質細胞。神經膠質細胞（Glial cells、glia，或稱neuroglia） 分為許多種類型，承擔各種重要作用，包括結構性支撐、維持新陳代謝、作為絕緣體、以及引導神經生長。神經元常常被看作腦中最重要的細胞。神經元可以將信號遠程傳遞到特定的細胞，這是它們和其他細胞最大的區別。它們通過軸突來傳遞信號，軸突是一種原生質構成的纖維，通常會有許多分叉。它們從神經細胞體長出，投射到其他區域：可能是鄰近的區域，也可能是腦或者身體的較遠部位。軸突的長度差異極大。例如錐體細胞（腦皮質的一種興奮性神經元），如果將它的細胞體放大到一個人的大小，那麼它的軸突同比例放大之後會有幾厘米粗，超過1公里長。這些軸突通過一種稱為動作電位的電脈衝信號來傳遞信息，持續時間短於千分之一秒，在軸突中傳播速度大約1-100米/秒。有一些神經元穩定地發放動作電位，每秒大約10-100次，另一些神經元在大部分時候處於靜息狀態，但是會偶然地發放動作電位。
軸突通過一種稱為突觸的特化節點來向其他神經元傳遞信號。一個軸突可以和多達數千個其他神經細胞形成突觸聯結。當一個動作電位通過軸突傳遞到一個突觸時，它會觸發釋放一種稱為神經遞質的化學物質。神經遞質會和突觸後細胞膜上的受體相結合。
突觸是腦的關鍵功能組成部分。腦的核心功能是細胞之間的聯結，而突觸就是產生聯結的地方。人類的腦估計有1,000,000,000,000,000（10¹⁵）個突觸聯結；而即使是果蠅的腦也包含幾百萬個突觸。這些突觸的功能各不相同：有的是興奮性的（可以使突觸後細胞興奮），有的是抑制性的，還有的通過激活第二信使系統來通過複雜的機制改變突觸後細胞的化學性質。許多突觸都是動力學可變的，意即它們可以根據通過它們的信號形式而改變其強度。人們普遍相信，突觸可塑性是腦進行學習和記憶的首要機制。
腦中的大部分空間被軸突所占據，它們常常會匯集成所謂的「神經纖維束」。一些軸突被稱為髓鞘的脂質鞘狀物包裹，稱為髓鞘化軸突，它們的神經傳導速度會大大提高。然而也存在無髓鞘軸突。髓鞘是白色的，所以腦中布滿神經纖維的部分顏色較淺，被稱作白質；與之相反，在神經細胞體高度聚集的區域顏色較深，被稱作灰質。

普通兩側對稱神經系統

除了少數原始的動物例如海綿（它沒有神經系統）和水母（有離散的神經網絡），所有的現生多細胞動物都是兩側對稱動物，意味著它們的身體形狀是左右對稱的。人們相信，所有的兩側對稱動物都具有共同的祖先，出現與4.85-5.40億年之前的寒武紀；根據假設，它的形狀像是簡單的管蟲，身體分節。可以大致認為，這種蠕蟲的基本形態在所有現代兩側對稱動物的體型和神經系統中都有反映，包括脊椎動物。兩側對稱動物的基本形態是中空的管狀，有一個管道從口通到肛門；還有神經索，在每一個體節處會有膨大（稱為神經節），在前端會有特別膨大的神經節，稱為腦。一些物種的腦小且簡單，例如線蟲動物；而對於包括脊椎動物在內的其他動物，它是身體最複雜的器官。而另一些蠕蟲例如水蛭，在神經索的尾端也有膨大的神經節，稱作尾腦（tail brain）。
有少數現存的兩側對稱動物沒有能夠辨認的腦，包括棘皮動物、尾索動物和無腔動物門（一種原始的扁蟲）。這些沒有腦的物種的存在，究竟是說明了最早的兩側對稱動物是沒有腦的，還是它們的祖先在演化中丟失了腦結構，現在尚無定論。

哺乳動物

哺乳動物和其他脊椎動物的腦最明顯的區別是其尺寸。平均來說，在身體大小相同的情況下，哺乳動物的腦是鳥類的2倍，是爬行動物的10倍。
然而尺寸還不是唯一的區別：在形狀上有更基本的不同。哺乳動物的菱腦和中腦與其他脊椎動物並無太大區別，然而前腦發生了巨大的改變，尺寸劇增，結構也發生了變化。 大腦皮質的存在是哺乳動物和其他脊椎動物腦之間最大的區別。其他脊椎動物的大腦表面由稱作皮層（Pallium）的簡單三層結構。而哺乳動物的皮層演化成了複雜的六層結構稱為新皮質（neocortex或者isocortex）。 哺乳動物許多位於新皮質邊緣的區域，包括海馬體和杏仁核也得到了進一步的巨大發展。
大腦皮質的完善發育給其他腦區也帶來了變化。例如對於大多數脊椎動物來說在視覺控制方面非常重要的上丘，在哺乳動物那裡縮小了很多，其大部分功能都被大腦皮質的視覺區域取代了。 哺乳動物的小腦包括一大片區域用於支持大腦皮質，稱為新小腦（neocerebellum），其他脊椎動物則沒有相應的部分。

生理

腦的功能基於神經元將電化學信號傳遞給其它細胞的能力，以及神經元正確回應來自其它細胞的電化學信號的能力。神經元的膜電位受到許多生物化學和代謝過程的控制，特別是在突觸發生的神經遞質和受體的作用。

神經遞質和受體

神經遞質是一種化學物質，當動作電位到達突觸時，突觸就會釋放神經遞質——突觸後細胞膜上的受體分子和神經遞質結合後，會改變受體分子的化學或者電性質。除了少數例外，腦中的每一個神經元在它和其它神經元形成的突觸上，只會釋放一種神經遞質，或者神經遞質的組合。這個規則被稱作戴爾規則。因此，神經元可以按照它所釋放的遞質來進行歸類。許多精神藥物的功能就是改變某種特定的神經遞質系統的作用，包括大麻素、尼古丁、海洛因、古柯鹼、酒精、氟西汀和氯丙嗪等等。
脊椎動物腦中最常見的兩種神經遞質是通常為興奮性的穀氨酸和抑制性的GABA。幾乎在腦中所有部分都有神經元使用這兩種神經遞質。因為它們存在的普遍性，作用於穀氨酸和GABA的藥物會產生廣泛而強烈的效果。一些全身麻醉是通過減少穀氨酸起作用；大多數鎮靜劑的效果來源於促進GABA的作用。
除穀氨酸及GABA之外，還有幾十種其他化學神經遞質在腦的其他更局部的區域內使用，通常是執行某一種特別功能的區域。 例如血清素，僅僅出現於稱為中縫核的腦幹區域，它是抗抑鬱藥物和許多減肥療法的首要目標。和醒覺作用有關的去甲腎上腺素只在一個稱為藍斑核的小區域內才出現。其他的神經遞質，例如乙醯膽鹼和多巴胺在腦中有很多來源，但是並未像穀氨酸和GABA那樣廣泛分布。

電活動

作為神經信號的電化學過程的副作用，腦組織會在活動時產生電場。當大批神經元同步活動時，它們所產生的電場可以被腦電圖（EEG）或者腦磁圖（MEG）記錄下來。EEG的記錄以及動物（例如大鼠）實驗中植入腦部的電極顯示，活的動物的腦持續處於激活狀態，包括睡眠中。腦的各部分表現出節律性和非節律性的混合，會隨著行為狀態而改變。對於哺乳動物來說，大腦皮層在睡眠時會呈現波幅大而緩慢的Delta波，在清醒但是靜息時會展示較快的Alpha波，而在活躍執行任務時腦電活動呈現混沌無規律。在癲癇發作時，腦的抑制機制失控，電活動會病理性上升，腦電圖會顯示健康人的腦中不會出現的大幅度波動和尖峰。將這些群體性的放電圖樣和單個的神經活動聯繫起來，是如今神經生理學的一個重要研究方向。

代謝

所有的脊椎動物都有血腦屏障，使得腦內的新陳代謝和身體其他部分的不同。神經膠質細胞在腦的新陳代謝中起著重要作用，它控制神經元周圍液體的化學成分，包括離子和營養物質的濃度。
比起它的體積來，腦組織要消耗非常大量的能量，向動物提出了更高的代謝需求。一些物種基於減輕體重的演化選擇需求（例如蝙蝠為了飛行），選擇了減小腦容量。腦所消耗的大部分能量用於保持神經元的電活性（膜電位）。大部分的脊椎動物的基礎代謝的2%-8%用於腦，對於靈長類來說，這個百分比要高得多，而人類高達20%-25%。腦的能量消耗並不會隨時間大幅度變化，但是大腦皮質中的活躍區域會比不活躍區域消耗更多的能量。基於這個原理，產生了PET、fMRI、近紅外光譜技術這樣的腦成像技術。腦通常通過葡萄糖（血糖）等的有氧代謝獲得其大部分能量，把酮體作為備用能源，除此之外還有一些中鏈脂肪酸（辛酸和庚酸）、乳酸、乙酸鹽，也許還有胺基酸。

功能

從演化生物學的視角來看，腦的功能是為動物的行為提供協調的控制。一個集中化的腦可以使得肌肉組以複雜的方式協調運動，使得身體的一端受到的刺激可以引發另一端的反應，還可以防止身體的不同部分動作互相牴觸。
為了產生有目的的和統一的動作，腦首先將來自感覺的信息統一傳送到中央系統，然後整合這些數據以得到有關環境結構的信息。之後，它將感官信息和動物目前的需求以及過去狀況的記憶結合在一起。最後，它基於這些結果產生動作回應，以使得動物獲得最大回饋為目標。這一系列信息處理任務需要許多功能子系統的複雜合作。

信息處理

電子計算機於1940年代發明，同時出現的還有數學化的資訊理論，使得腦有可能作為信息處理系統來理解。這個觀念構成了控制論的基礎，也進一步促生了我們現今稱為計算神經科學的領域。控制論的最早嘗試顯得有些粗糙，當時將腦的本質看作一台隱藏起來的計算機。例如約翰·馮·諾伊曼1958年的著作《計算機與人腦》。經過了多年有關動物行為和腦細胞電活動的數據積累，這個領域已經由理論概念變得越來越實在。
信息處理過程研究的實質，是試圖用信息流與算法的執行來理解腦的功能。其中最具影響力的早期工作，是1959年的論文《青蛙的眼睛告訴了青蛙的腦什麼》（What the frog's eye tells the frog's brain），這篇論文研究了青蛙視網膜和上丘（視頂蓋）中的神經元的視覺回饋，得出結論，青蛙頂蓋中的一些神經元聯結會產生一些初級的功能，研究者們將其稱作「蟲子感知」。幾年後，大衛·休伯爾和托斯坦·威澤爾在猴的初級視皮層中發現了一些細胞，如果有明顯的邊緣從視野的某個點移動過去的時候它就會被激活。他們因為這個發現獲得了諾貝爾獎。隨後的研究在更高級的視覺區域發現了探測雙眼視差、色彩、運動和形狀的細胞，它們距離初級視皮層越遠，其反應內容就越是複雜。其他關於和視覺無關的腦區域的研究，揭示了腦細胞的活動和多種多樣的功能相關，一些和記憶相關，另一些和空間等抽象認知相關，等等。
理論研究者們通過建立數學化的神經系統網絡模型進行計算機模擬來理解神經系統的反應方式。許多有用的模型是抽象的，著眼於神經系統算法的概念結構，而非它們在腦中結構的細節；而另一些模型試圖將真實神經細胞的生理物理學性質包含進去。然而現今不論在任何層面上，都沒有一個模型能夠完整地描述腦的功能。其中本質的困難在於，神經網絡的完善計算包括成千上萬神經元的協同工作，而目前的技術只能同時記錄少數神經元的動作電位。
除此以外，每一個神經元都表現得很複雜，可以進行計算任務。所以沒有反映這一點的腦模型可能被認為過於抽象，無法代表腦的運作；而考慮到這一點的的模型會消耗大量的計算資源，以現有的計算能力無法實現。儘管如此，人腦工程還是試圖建立一個真實而詳盡的整個人腦的計算模型。現在人們還在等待它在預定時間內可以完成何種程度的成果，關於它是否有效也正在進行公開爭論，爭論雙方都有重要的科學家。

感覺

腦的首要功能之一，就是從感官的輸入中提取出生物所需要的信息。人腦會接收到光、聲音、空氣中的化學成分、溫度、熱源、身體位置、血液中的化學成分等等信息。其他生物可能還有其他感官，例如蛇的熱紅外感覺、一些鳥的磁感覺或者一些魚類對電場的感覺。此外，還有一些動物可能會改造已經存在的感覺系統，例如蝙蝠將聽力系統改造為聲波雷達。所有這些感覺方式通過特定的一種或者幾種傳感器將信息傳遞到大腦。
每一種感覺系統都是從特化的感受器細胞開始，例如眼睛視網膜中的感光細胞，耳朵的耳蝸中的振動感覺細胞，或者皮膚上的壓力感受神經元。感受器細胞的軸突會進入脊髓或腦，感覺系統的信號會被轉換為刺激模式。初級感覺核團將信息傳遞到同一模式的更高級的感覺區域。最後，通過丘腦作為中轉站，信號被送到大腦皮層，提取出和生物相關的要素，和來自其他感覺系統的信號進行多感官整合。

覺醒

對於動物來說，睡眠和清醒交替的晝夜周期也許是它們最明顯的行為了。喚醒與警戒也會受到特定腦區在更精細的時間尺度上的調節。
覺醒系統的關鍵部分是視交叉上核（SCN），下丘腦中的一個小部分，位於雙眼視神經交叉點的上方。SCN包含了身體的中樞生物鐘，其中的神經元表現出以24小時為周期的活動漲落，也就是晝夜節律：這些漲落活動是由一組「時鐘基因」的表達產生的節律而引起的。即使是把SCN從腦中取出，放置於溫暖的營養液中，只要它還能照常通過視網膜下視丘路徑接收到來自視神經的信號，每天的晝夜循環就能繼續工作。
SCN投射到包括海馬體、腦幹和中腦等和睡眠-清醒循環相關的區域。其中一個重要的部分是網狀結構，一組零散地分散在腦底部核心區域的神經細胞群落。網狀結構的神經元向丘腦發送信號，而丘腦接下來將控制激活水平的信號發送到皮層的每個部分。網狀結構的破壞會導致永久的昏迷。
睡眠會導致腦活動的巨大變化。直到1950年代，人們大多相信在睡眠期間腦是基本上處於關閉狀態的，現在人們知道這和事實差距很大；腦活動在睡眠時繼續，但是模式變得非常不同。睡眠可以分為兩種類型：「快速眼動睡眠（REM，會產生夢）和非快速動眼睡眠（non-REM，通常沒有夢），在一個睡眠周期之內以稍有變化的模式反覆出現。可以記錄到睡眠期間3種不同的腦活動模式：REM，淺度nREM和深度nREM。深度nREM睡眠也被稱為慢波睡眠，此時腦皮層呈現大幅的同步活動波，而清醒時則是非同步且充滿噪音。神經遞質去甲腎上腺素和血清素在慢波睡眠期間降低，在REM睡眠期間幾乎為0，而乙醯膽鹼的變化水平則呈現相反的趨勢。

穩態

對於所有動物來說，將體內的許多參數的波動維持在一定水平內是生存的必須：例如體溫、水含量、血流中的含鹽量、血糖水平、血氧水平等等。 動物調節其內部環境（內環境）的能力，被生理學家克洛德·貝爾納命名為穩態（Homeostasis，古希臘語意為「穩定」），保持穩態是腦的一項關鍵功能。穩態的基本原則是負反饋：一旦一個參數超過它的閾值，感受器就會發送一個誤差信號，觸發一個反饋，使得該參數回復到之前的最佳水平。（這個方法在工程上有廣泛應用，例如控制溫度的自動調溫器 。)
對於脊椎動物來說，在這方面起重要作用的是下丘腦，前腦中的一個小區域，其尺寸與它的複雜性和重要性不成比例。下丘腦包含了許多小核團，其中大多數都和基本的生物功能有關。其中一些功能和覺醒或者社交有關，例如性行為、攻擊或者母性行為；其中也有很多和穩態有關。一些下丘腦核團接收來自血管中的感受器的信息，包括溫度、鹽含量、血糖水平、血氧水平等參數。而下丘腦核團向運動區域釋放信號，以產生修正偏差的行為。一些輸出會到達腦下垂體，在下丘腦下方和腦相連接的一個小腺體。腦下垂體會分泌荷爾蒙進入血流，進入身體循環並且促進細胞活動的變化。

動機

根據進化論，個體的行為會被編寫為確保生存和成功繁殖後代。遺傳適應的總的目標，會被轉化為一系列以生存為目的的行為，例如尋找食物、水、庇護所和同伴。腦的動機系統通過改變現有環境來滿足這些需求，並且激活行為以滿足新產生的需求。動機系統基本上是以獎懲機制的方式運作的。當一個特定行為之後跟隨著快樂，腦中的獎勵機制就開啟了，它會導致腦的結構改變，導致如果類似的情形出現時會進行同樣的動作。相反地，如果某一個行為之後緊接著痛苦感受，腦中的懲罰機制開啟，使得在將來遇到類似環境的時候不再做這樣的行為。
至今為止，得到研究的大部分動物都利用了獎懲機制：例如，蠕蟲和昆蟲都可以通過改變行為來尋找食物和躲避危險。對於脊椎動物來說，獎懲機制由腦中的一個特別部分負責，其核心部位是基底核，位於前腦底部的一個互相連接的部分。有許多證據證明基底核是完成決定過程的關鍵區域：基底核可以對腦中大部分動作區域進行抑制，當某方面抑制解除後，動作系統就可以執行它們的運動。 獎懲功能通過改變基底核的輸入和它釋放的決策信號之間的關係起作用。獎勵機制比懲罰機製得到了更好的研究，因為它在藥物濫用中的角色引發了深入的研究。研究表明神經遞質多巴胺起著關鍵作用：成癮藥物如古柯鹼、安非他命和尼古丁會導致多巴胺水平上升或者多巴胺的效果被加強。

發育

腦並不是簡單地長大，而是經過了複雜的協同和一系列步驟。它多次改變形狀，從最早期胚胎時的神經索前端的一個簡單的膨大，到複雜的區域與聯結的組合。 神經元是在一個包含幹細胞的特別部位產生出來，穿過組織遷移到它的最終位置。當神經元到達既定位置，它們的軸突就開始伸長、分叉，被引導著穿過腦，直到其末端到達其目的地並且形成突觸聯結。在神經系統的很多部分中，在初期會形成非常多的神經元和突觸，然後其中無用的會被除去。
對於所有種類的脊椎動物來說，神經發育的早期階段都是類似的。隨著胚胎從球形的一團細胞變成蠕蟲形狀的結構，外胚層中位於背面正中的一條窄帶分化為神經板，它是神經系統的前身。神經板向內凹陷形成了神經溝，然後神經溝的邊緣融合形成了神經管，一條充滿液體的中空細胞管。在這條細胞管的前端出現了三個膨大的囊，分別是前腦、中腦、菱腦的前身。在下一個階段里，前腦分為兩個部分，分別是大腦，包含大腦皮質、基底核和相關結構；以及間腦，包含丘腦和下丘腦。幾乎同時，菱腦分裂為後腦，包括小腦和橋腦；與末腦，包括延腦；。以上每一個區域都包含了產生神經元和膠質細胞的增生區域，新生的細胞會發生遷移，有時會發生長距離遷移到達其最終目的地。
一旦神經元到達了目的地，它就會向周圍伸出許多樹突和一根軸突。由於軸突通常會延伸到距離細胞體很遠的地方，而且需要到達特定的目的地，所以會以特別複雜的方式生長。生長中的軸突頂端有一小團原生質，稱為生長錐，上面分布著化學受體。這些化學受體能夠感受周圍環境，引導生長錐被各種細胞因素吸引或者排斥，從而沿著特定的路徑被引導到應有的位置。這個引導過程的結果，就是生長錐被指引著穿過腦到達其目標區域，然後其他化學信號導致其形成突觸。考慮整個腦，上千個基因的產物參與了軸突的引導。 
最終成型的突觸網絡，只是部分由基因決定。在腦的許多部分中，軸突開始會「過量生長」，然後會根據神經活動來啟動「修建」機制。例如，在成年人從眼到中腦的投射中，包含了非常精確的映射，視網膜表面的每一個點都能夠在中腦中某一層找到對應的點。在發育的最初階段，來自視網膜的每一個軸突會被化學信號引導到中腦的大致區域，然後形成眾多分叉，覆蓋一個寬廣區域內的中腦神經元。視網膜有一種特殊的機制：在出生之前。它可以自發地隨機產生波動活動，然後緩慢地沿著視網膜增殖。這些波動通過激發鄰近的神經元活動而起作用，產生的神經活動模式中包含了神經元的空間排列信息。中腦利用這個信息，判斷一些軸突的激活與突觸後細胞不一致，從而造成它們的弱化甚至消失。這個精巧的過程會導致映射的逐漸調節和緊縮，最後形成了成人的投射結構。
在其他的腦區也進行著同樣的過程：基因決定的化學引導形成了初始的突觸矩陣，然後逐漸地受到活動決定的調節機制影響；它一部分是由內源動力驅動，另一部分來自於外界感官輸入。在一些情況下，類似視網膜-中腦系統，形成活動模式的機制僅僅在腦發育期間起作用，它顯然只是為了引導發育而存在。
對於人類和許多其他動物來說，新的神經元主要是在出生前形成的，新生兒的腦細胞總量要明顯多於成人的。然而，也有少數區域終身都會不斷產生新的神經元。成年人的神經發生出現在兩個區域，一個是和嗅覺有關的嗅球，另一個是海馬體中的齒狀回，有證據表明新生的神經元在形成新的記憶方面有作用。除了這些例外，在幼年形成的神經元就和終身的神經元一致。但是神經膠質細胞有所不同，體內的各類神經膠質細胞終身都會不斷產生。
關於心靈的品質、人格和智力是遺傳的還是後天的，一直存在爭論，這就是先天與後天的爭論。雖然還存在許多疑問，但是神經科學研究已經證明這兩個因素都很重要。基因決定了腦的基本結構，也決定了腦如何處理經驗。而經驗對於調製突觸聯結網絡是必要的，它包含了比基因組要多得多的發育信息。在某些區域，在發育關鍵時期是否有經驗輸入是決定性因素。在其他區域，經驗的數量和質量很重要；例如，有證據表明在環境丰容的條件下成長的動物大腦皮質會更厚，表明它們比環境受限制的動物擁有更高的突觸聯結密度。

研究

神經科學的領域包含所有試圖理解腦和其餘神經系統的工作。心理學試圖理解心靈和行為，神經內科學是診斷和治療神經系統疾病的醫學分支。腦也是精神病學研究的最主要器官，它是研究和防治精神病的醫學分支。認知科學試圖綜合神經科學、心理學和其他與腦相關的領域，例如計算機科學（人工智慧與類似領域）和哲學。
研究腦最古老的方法是神經解剖學。直到20世紀中葉，神經科學的大部分成果來自於更好的細胞染色技術和更好的顯微鏡。神經解剖學研究腦的大尺度結構和神經元及其組成部分的微觀結構，特別是突觸。和其他工具比起來，他們使用了非常多的染色技術，揭示了神經元的結構、化學性質和聯結。近年來，免疫染色技術的出現，可以展示神經元中表達某組基因的特定部分。同樣，使用醫學影像技術的「功能神經解剖學」技術將人腦的許多結構和不同的認知行為聯繫起來。
神經生理學家研究腦的化學、藥理學和電性質，他們的主要工具是藥物和記錄儀。數千種從實驗中開發的藥物會對神經系統起作用，其中一些會以高度特化的方式進行。腦的活動可以通過電極來記錄，電極可以貼在頭皮上作腦電圖研究，也可以植入動物的腦中作細胞外電極記錄，它可以檢測到單個神經元的動作電位。因為腦不包含痛覺感受器，所以使用這些技術記錄清醒的動物的腦活動而不引起疼痛是可能的。同樣的技術有時會用於研究患有頑固性癲癇的病人的腦活動，如果病人有醫學上的必要通過植入電極來定位和癲癇發作相關的腦區域。功能性成像技術，例如fMRI也會在腦的研究中使用；這類技術主要適用於人類，因為它要求清醒的被試長期處於靜止狀態，但是它們的巨大優點是其非侵入性。
另一個研究腦功能的手段，是檢查特定區域腦損傷的後果。雖然腦有顱骨和腦膜保護，由腦脊液包圍，並且由血腦屏障將其與血液循環隔離，但是腦的結構脆弱，容易遭受各種疾病和損傷。人類各類中風和其他腦損傷的後果，成為了了解腦功能的關鍵來源。 由於自然的損傷不像實驗中那樣可控，所以解釋這些信息通常是困難的。在對動物例如大鼠的研究中，可以使用電極或者藥物注射來造成特定區域的腦損壞，以檢查其對行為的影響。
計算神經科學包含兩類研究：一，使用計算機來研究腦；二，研究腦如何進行計算。一方面，可以通過描述一組神經元電化學特性的方程式序列，編寫電腦程式來模擬其行為；這樣的模擬被稱作生物神經網絡。另一方面，也可以通過模擬或者數學分析來將神經元複雜的生物學性質抽象為簡單的「單元」，來研究神經計算的算法。計算機科學家和神經科學家都有在研究腦的計算功能。
近年來，基因和基因組技術在腦研究上的應用正在增加， 集中在神經營養因子的角色及其在神經可塑性中的物理作用。 其最常用的實驗對象是小鼠，因為它適用的技術工具很多。如今，人們可以相對簡單地「敲掉」或者改變許多種類的基因，然後檢驗其對腦功能的影響。人們也開始使用更先進的技術，例如Cre-Lox重組系統，可以控制腦中特定部分的基因在特定時間激活或者不激活。