یکی از اهداف بلند مدت فیزیولوژی/نوروساینس دسترسی به قابلیت تفسیر تجربیات زندگی آگاهانه روزمره انسان است. پرسش از چیستی و ماهیت آگاهی و نیز تبیین فرایند تبدیل و تصعید فعالیت‌های مادی نورونی به پدیدار ذهنی درونی ای چون آگاهی که دیوید چالمرز آن را مسئلهٔ دشوار آگاهی نام نهاده‌است، از دیگر دغدغه‌های پژوهشگران این حوزه به‌شمار می‌رود. فرانسیس کریک که خود از پدران عصب‌شناسی مدرن به‌شمار می‌رود به همراه دانشمند نامدار آلمانی کریستف کخ تلاش‌هایی را در جهت فرمول بندی و ارائهٔ چارچوبی سازگار برای فهم و تبیین آگاهی انجام دادند. مجموعهٔ این فعالیت‌ها که حول محور یافتن ملازم‌های عصبی کارکردهای ذهنی و شناختی است، بیشتر با عنوان ملازمات عصبی آگاهی (به اختصار NCC) در میان پژوهشگران این حیطه شناخته می‌شود. جولیو تونونی، عصب‌شناس محاسباتی برجسته ایتالیایی نیز نظریه ای را با عنوان نظریه تجمیع اطلاعات جهت فهم و شناخت پدیده آگاهی ارائه داد که در آن از مفاهیم نظریه اطلاعات و احتمالات از جمله آنتروپی، آستانه اطلاعاتی و تفکیک کمینه اطلاعاتی و نیز نظریه پیچیدگی بهرهٔ فراوان برده‌است. به ور ساده، تونونی آگاهی را ویژگی بنیادین و فیزیکی یک سیستم سببی می‌داند که حاصل انباشت اطلاعات در مسیر تالاموکورتیکال مغز و عبور از آستانهٔ اطلاعاتی که آن را Φ می‌نامد، است. این نظریه، هم چنین به‌طور ضمنی آگاهی را ویژگی ای درجه دار می‌داند و بنابر این هر سیستم به اندازه کافی پیچیده‌ای می‌تواند از آگاهی برخوردار باشد. گروهی از دانشمندان علوم شناختی مانند داگلاس هافستادتر، آگاهی را به مثابه حلقهٔ بسته‌ای می‌دانند که اجزای آن پس از بی شمار خودارجاعی و بازتابش به یکدیگر، شبه پدیداری را بروز می‌دهند که لزوماً از جنس خود اجزای تشکیل دهنده نیست. از این رو، آگاهی در نگاه وی، گونه ای توهم است که وجود خارجی دست کمبه آن صورتی که ما می‌پنداریم ندارد. وی برای نمونه، تپه‌ها و لانه‌های پیچیده و حیرت‌انگیز موریانه‌ها را از همین جنس می‌داند. تعداد بسیار زیادی از موریانه‌ها در یک کولونی بدون هیچ دستور، نقشه یا طرح از پیش تعیین شده‌ای شروع به انجام یک کار بسیار ساده می‌کنند. هر موریانه دانه ای از شن را یا برمی‌دارد یا قرار می‌دهد با این وجود، حاصل چنین همکاری و فعل و انفعالاتی، ساختن لانه‌هایی با برجستگی‌ها و شیارها و پنجره‌های عجیبی می‌شود که دمای داخل آن برای زیستن راحت تر موریانه‌ها تنظیم شده‌است. هافستادتر می‌گوید که در جریان لانه سازی، هیچ گیوند و مشارکت سببی وجود ندارد. نمونه ای دیگر، نشستن گروهی از انسان‌ها روی زانوان یکدیگر در یک دایره است که توهم وجود تکیه گاه یا زیر سازه ای مانند میز یا صندلی‌های نامرئی را در نگاه ما موجب می‌شود در حالی که هیچ میز یا صندلی ای وجود ندارد و با این همه این گروه چند نفری همگی به صورت دایره وار نشسته‌اند. آرون اسلومن، دیگر دانشمند برجسته علوم عصب‌شناسی، آگاهی را مانند پردازش گرهای متن بر روی کامپیوتر می‌داند که ویژگی‌های آن کاملاً جدا از سخت‌افزار کامپیوتر است اما بدون سخت‌افزار وجود نخواهد داشت. با این همه، بیشتر کارهای انجام شده در این زمینه در حال حاضر از حدس و گمانه زنی فراتر نمی‌رود. از سوی دیگر، گروهی از ریاضی دانان و متخصصان منطق محاسباتی استدلال‌های قابل توجهی را علیه مدل‌های محاسباتی آگاهی ارائه کرده‌اند. مهم‌ترین چهره این دسته، سر راجر پنروز، ریاضی فیزیک‌دان شهیر بریتانیایی است که در نوشته‌ها و گفتارهای خود، بارها به برخی از تناقضات نظریه‌های فوق با استفاده از قضایای گودل و نظریه اعداد اشاره کرده و چنین استدلال می‌کند که اصولاً برخی از جنبه‌های اساسی مغز ما که در پیدایش آگاهی دخیل هستند، قابل ارائه و بازنمائی به صورت توابع محاسبه پذیر و الگوریتمیک دست کم در چارچوب علوم موجود منطق و محاسبه و فیزیک کلاسیک نیستند. پنروز البته خود با همکاری استوارت همرآف، پزشک و پژوهشگر عصب‌شناس آمریکایی، مدلی را با نام Orch-OR (مدل کوانتومی آگاهی) ارائه کرد که بنا بر آن آگاهی، حاصل رمبش و کاهش عینی تابع موج شرودینگر در میکروتوبول‌های نورون‌های مغز است.