脑科学从分子水平、细胞水平、行为水平研究自然智能机理，建立脑模型，揭示人脑的本质。19世纪末叶，Cajal染色法的发明在技术上为Cajal的神经元学说研究准备了前提条件。20世纪40年代末期微电极的发明，开创了神经生理研究的新时代，对神经活动的认识因此出现了重大的飞跃。20世纪60年代后期神经科学概念的出现是人类认识脑的历程中的又一个里程碑。细胞与分子水平的研究异军突起，形成迄今方兴未艾的巨大洪流。成果对单个离子通道的研究只有当模片钳位技术在70年代末发展起来后才有可能，并且终于改变了对神经活动基本过程的认识。分子遗传达室学方法的发展才使近年来对许多遗传达室性神经、精神性疾患的缺损基因定位得以成功。无创伤大脑成像技术的建立为人们认识活体脑的活动及分析其机制提供了前所未有的有效工具。20世纪90年代开始，人们开始重视脑科学研究中整合性观点的重要性。
在神经系统的活动中存在着一些具有普遍意义的基本过程，包括神经信号的发生、转导、传导、突触传递等。在离子通道方面，将会发现更多的新通道。对于神经递质存贮、保持、释放、调节过程目前已经有了一幅概图，其中的一些精细过程将得以清楚地阐明。对C-蛋白耦合的第二信使级联反应所介导的信号转导方式及其在脑功能中的作用的研究，会有重要的拓展。人们将不断揭示新的神经调制方式，对神经系统控制其自身特性方式的多样性形成更完整的认识。
对于脑的高级功能，诸如感知、运动控制、学习记忆、情绪、语言、意识等的认识，可能会取得突破性的进展，几十年来，对于以细胞、分子事件为基础的局部神经网络如何组装起来构成庞大的复杂的脑来实现高级功能，既缺少有成效的研究手段，在理论上也只有很模糊的想法。感觉信息如何整合起来用以认知外部世界？意识如何被控制？意识的整体性怎样被保持？突触可塑性与学习和记忆形成、记忆检索是怎样的关系？语言的中枢表象是什么？对于这些问题，我们的了解还刚刚开始。