神經生物學（Neurobiology）是從分子、細胞和係統等多個層次或水平，研究人體神經係統的生物變化過程，包括高級活動在內的神經整合作用。其目標在於分析和探究人類神經係統的結構和功能活動，研究人的生理、心理、行為和精神活動的物質基礎。它綜合了多個學科的知識內容，屬生命科學的範疇。
神經生物學的興起
現代自然科學所麵臨的重大挑戰在於解釋腦的奧秘。人類的感覺、運動、思維、情感和行為活動都以神經元和神經係統的活動為基礎。
一、神經生物學的任務與神經元學說
神經係統主要是由神經細胞（神經元）和神經膠質細胞組成。分析和研究神經係統的結構和功能，揭示神經係統的活動規律，從不同側麵、不同水平闡明神經組織的活動機製，為神經和精神性疾病的預防、診斷和治療提供理論依據，成為神經生物學的基本任務。近年來，神經科學界對於神經膠質的研究有了長足的進展，但是從總體上說，至今神經生物學者仍然以對神經元研究的資料積累為主體。
一般說來，神經生物學和神經科學在許多場合下可以作為同義詞使用，但是嚴格的講，神經科學涵蓋了基礎神經科學、臨床神經和精神病學的有關內容，而神經生物學則更側重於基礎科學領域的理論和技術。
20世紀初西班牙學者卡哈爾（Santiago Ramonny Cajal），利用高爾基染色法開展對神經係統的研究，創立了著名的“神經元學說”，卡哈爾認為神經細胞（神經元）是一個獨立的生物學結構和功能單位，神經元之間的聯係不是通過細胞的直接連續（結構），而是通過彼此的接觸來實現的。卡哈爾詳細描述了神經元的樹突和軸突，並推測樹突可能是神經元的接受區，進而提出了神經元的極性特征。神經元學說的主要觀點是，一個神經細胞和另一個細胞之間不是連續的。這個學說的出現標誌著我們可以用細胞活動的觀點來看待神經活動，也意味著可以用普通細胞生物學的觀點來看待神經細胞。近百年來神經生物學的快速發展充分證明了“神經元學說”的科學性和正確性。當然，隨著研究技術的不斷進步，最近30多年神經科學的研究資料也為“神經元學說”的完善，提出了許多重要和有益的補充。
《人類及脊椎動物神經係組織學》（兩卷本）是卡哈爾於1899年和1903年發表出版的關於神經係統研究的巨著，當年卡哈爾很多有關神經元的細致、生動的描述至今仍然被引用。
細胞和分子生物學的蓬勃發展、現代生物學技術和方法的推陳出新，對於神經生物學的理論研究和臨床應用有著深刻的影響。隨著生命科學的迅猛發展，醫學研究工作者和臨床醫學工作都需要學習和了解神經生物學理論，研究和歸納高級神經活動和行為活動的神經機製，分析和探討神經和精神性疾病的神經生物學基礎。
神經生物學研究是生命科學中多學科相互融合的綜合性學科，有其自身的特殊性和規律性。同時它又是多層次、多角度、多手段的綜合研究。神經生物學至少包括了分子神經生物學、細胞神經生物學、發育神經生物學、係統神經生物學、行為神經生物學、認知神經生物學、計算神經生物學和臨床神經生物學等多個水平和層次。
神經生物學是人類了解自身和發展自身的研究。從神經、精神和意識的層麵考慮，人類自我認識的過程，就是人類認識和研究神經係統活動的過程，尤其是研究腦的活動規律的過程。幾十年來，隨著現代分子生物學技術對於細胞內信號轉導係統研究的不斷深入，它們在神經元內生理功能調節、調製過程中作用的不斷明確，完善了神經科學工作者對於大腦發育和神經調節機製的了解。神經發育過程和機製研究的不斷深入，使得組裝功能神經元回路的分子機製成為可能。我們已經能夠將單個基因和神經網絡的發育、神經元內的信號轉導、個體行為活動聯係起來，探明眾多神經性疾病的病因和發病機製。
神經科學的快速發展，引導我們可以在分子水平、細胞水平和神經網絡水平，甚至整體水平來研究睡眠、覺醒、學習、記憶、人格、情感、知覺、思維、動機、語言等腦高級功能的神經機製和行為過程。相信隨著現代神經生物學研究的不斷深入和發展，我們對於精神、意識和行為功能的研究，將不再僅僅局限於人體外在行為的推測和人群調查。揭開人類神經和精神活動的麵紗，揭示人體意誌、情感、意識和行為等高級活動的奧秘，研究其內在機製成為可能。
三、行為、心理、精神與腦
機體有動機、有目的的活動稱為人體的行為（behaviour）。心理是指人的大腦反映客觀現實的過程，例如，感覺、知覺、思維、情緒等。而精神則是指意識、思維活動和一般心理狀態。人體時刻都處於複雜多變的外界環境之中，人體為了生存和生活必須不斷地調整自身的心理和行為活動。根據需求和心理活動的判斷，機體可以表現為防禦行為、逃避行為、攻擊行為、攝食行為、性行為等。人類依靠大腦的功能，具有了精神、情感、思維、學習、記憶、語言、文字等複雜活動和社會交流生活，並表現出人類所特有的社會心理性行為、情感性行為、意誌性行為等。這些行為活動和心理現象都是依靠人體高度發達的神經係統，尤其是大腦調節活動來實現的。
研究心理和行為活動的神經機製和物質基礎是神經生物學的重要任務之一。腦內數以千億記的神經元是如何聯係、連接，構成一個完美、統一的整體？神經係統（腦）的活動和心理現象以及行為活動之間的內在關係（機製），一直是人們試圖求解的“謎”。
心理和行為活動始於“認知”。精神活動中最基礎也是最複雜的過程是認知過程，它是意誌的基礎。意誌是指人們在需要和動機的基礎上自覺確定目標的心理過程。情感是人類個體對於客觀事物的態度和體驗的高級形式。研究認為，人的情感活動可能成為意誌行為的動力，也可以成為其阻力。隻有意誌才能夠對行為起發動、堅持和改變的調節和控製作用。而那些經由心理活動調控的行為才能成為意誌行為。
行為是由感覺或知覺激發，經過大腦複雜的生理性整合（integrate）過程之後，通過隨意運動實施的生理過程。心理現象包括認識、情感、意誌等心理過程和能力、性格等心理特征。深刻認識心理、精神和行為的物質基礎，分析它們內在的運行機製，其核心就是要揭示中樞神經（腦）活動的奧秘。這也正是神經生物學研究之目標。
行為是神經活動的外在表現，心理是思想、感情等的內心活動。因此，心理、精神和行為都是了解神經活動的“窗口”。很多和神經活動相關聯的疾病都可通過患者的心理、精神和行為活動表現出來。多年來，許多神經科學家試圖通過探討生理性、病理性的行為活動，分析正常的或異常的心理、精神現象，揭示它們的神經運行機製，研究腦的活動規律。
神經元
上世紀初Cajal利用Golgi銀染色技術首先發現並證實了中樞神經的結構和功能單位——神經元（Neuron），Cajal認為神經係統是由大量獨立的神經元精確連接、有序組合構成的網絡結構。由此標誌著“神經元學說”的誕生。
一、神經元的分類
從形態或功能的角度，神經元有多種分類方法，目前常以神經元突起的數目、功能以及所釋放的遞質進行分類。
1、按照神經元突起的數目分類
（1） 假單極神經元（pseudounipolar neuron）：是指從胞體發出一個突起，在離胞體不遠處呈T形分為兩支，故稱為假單極神經元。其中一支突起細長，結構與軸突相同，伸向周圍，稱周圍突（peripheral process），周圍突的功能相當於樹突，能感受刺激並將衝動傳向胞體；另一分支伸向中樞，稱中樞突（central process），中樞突將衝動傳給另一個神經元，相當於軸突。脊神經節內的感覺神經元就屬於這一類。
（2） 雙極神經元（bipolar neuron）：是從胞體兩端各發出一個突起，一個是樹突，另一個為軸突。如耳蝸神經節中的感覺神經元等。
（3） 多極神經元（multipolar neuron）：一般有一個軸突和多個樹突，是人體中數量最多的一種神經元，如脊髓前角運動神經元和大腦皮層的錐體細胞等。多極神經元又可依軸突的長短和分支情況分為兩型：① 高爾基Ⅰ型神經元，其胞體大，軸突長，在行進途中它發出側支，如脊髓前角運動神經元；② 高爾基Ⅱ型神經元，其胞體小，軸突短，在胞體附近發出側支，脊髓後角的小神經元以及大腦、小腦內的聯合神經元屬於此類神經元。
2、按照神經元的功能分類
（1） 感覺神經元也稱傳入神經元（afferent neuron）：它傳導感覺衝動，胞體在腦、脊神經節內，多為假單極神經元。感覺神經元的突起構成周圍神經的傳入神經，神經纖維終末在皮膚和肌肉等部位形成感受器。
（2） 運動神經元（motor neuron）：也稱傳出神經元（efferent neuron），是傳導運動衝動的神經元，一般為多極神經元。胞體位於中樞神經的灰質和植物神經節內，其突起構成傳出神經纖維。神經纖維終末，分布在肌組織和腺體等形成效應器。
（3） 中間神經元（interneuron）：也稱聯絡神經元（association neuron），它是在神經元之間起聯絡作用的一類神經元，屬多極神經元。在人類神經係統中，中間神經元是最多的神經元，它構成中樞神經內的複雜網絡。胞體位於中樞神經的灰質內，其突起一般也位於灰質。
3、按照神經元釋放的神經遞質分類
（1） 膽堿能神經元（cholinergic neuron）：該神經元的神經末梢釋放乙酰膽堿，如脊髓前角運動神經元等；
（2） 胺能神經元（aminergic neuron）：釋放單胺類神經遞質。如，腎上腺素、去甲腎上腺素、多巴胺、5羥色胺和組胺等；
（3） 肽能神經元（peptidergic neuron）：如釋放內啡肽、腦啡肽、P物質等肽類物質的神經元，這類神經元所釋放的物質總稱為神經肽（neuropeptide）。有學者認為神經肽不直接引起效應細胞的生理性改變，僅對神經遞質的效應起調節、調製作用，故稱其為神經調質（neuromodulator）。
二、神經元的胞體和突起
人體中樞神經內的神經元數量大約有1011個，形狀和大小各異。神經元由胞體及其胞體延伸出來的突起構成，突起又分為樹突和軸突兩種。
（一） 胞體
神經元的胞體（soma）位於腦和脊髓的灰質及神經節內，形態各異，常見的形態為星形、錐體形、梨形和圓球形狀等。胞體大小不一，直徑在4～150 μm之間。胞體是神經元的代謝和營養的中心。神經元胞體的結構與一般細胞相似，有細胞膜、細胞質和細胞核。
1、細胞膜胞體的胞膜和突起表麵的膜，是連續完整的細胞膜。除突觸部位的胞膜有特殊的結構外，大部分胞膜為單位膜結構。細胞膜主要由脂質、蛋白質和極少量的糖類物質組成。1972年Singer和Nicholson提出的液態鑲嵌模型（fluid mosaic model）理論，已被學術界所公認。液態鑲嵌模型學說認為：細胞膜是以液態的脂質雙分子層為基架，脂質分子間鑲嵌著許多具有不同結構和功能的蛋白質（彩圖1）。
細胞膜的功能主要是通過膜蛋白實現的。按照膜蛋白在膜上存在的形式，將膜蛋白分為表麵蛋白（Perifheral Protein）和整合蛋白（integral protein）兩類。
整合蛋白又稱為內在蛋白（intrinsic protein）或跨膜蛋白。數量多，其特征為肽鏈一次或多次跨過膜的脂質雙層。以非極性氨基酸與脂質雙分子層的非極性疏水區相互作用而鑲嵌在膜上。跨膜蛋白含25%～50%的α螺旋，也有β折疊。許多具重要生理功能的膜蛋白均屬整合蛋白，如膜結合的酶類、載體蛋白、通道蛋白、膜受體等。許多整合蛋白分子中具有一個或多個富含疏水性氨基酸的疏水區，多呈α螺旋。它們在膜上的存在方式包括：① 單次穿膜：疏水區貫穿脂雙層，兩末端分布於膜內外兩側；② 多次穿膜：多肽鏈數次返折，數個疏水區返折數次穿越脂質雙層；③ 多個單次穿膜的亞基組成一個跨膜通道；④ 脂化或糖脂化膜蛋白借其共價結合的脂肪酸鏈插入膜內；⑤ 膜蛋白多肽鏈一端穿膜，另一端借糖脂化的脂肪酸插入膜內，兩端均固定膜上。整合蛋白親水部分暴露在膜的一側或兩側表麵；疏水區同脂質雙分子層的疏水尾部相互作用；整合蛋白所含疏水氨基酸的成分較高。跨膜蛋白可再分為單次跨膜、多次跨膜、多亞基跨膜等。
表麵蛋白質通過肽鏈中的帶電氨基酸和脂質的極性基團以靜電引力的形式相結合，或者以離子鍵的形式與整合蛋白質相結合，附著於膜的內表麵或外表麵。
細胞膜不僅僅作為一個屏障把細胞內外的物質分隔開，它還通過跨膜物質轉運功能、生物電現象等多種生物方式適應細胞功能活動和新陳代謝的需要，其特點是敏感而易興奮。
2、細胞核細胞核是細胞的控製中心，在細胞的代謝、生長、分化和發育活動中起著重要作用，是遺傳物質的主要儲存部位。盡管細胞核的形狀有多種多樣，但是它的基本結構卻大致相同，即主要結構是由核膜、染色質、核仁和核骨架構成。
多數神經元具有一個大而圓的細胞核，多位於神經細胞體中央，大而圓，異染色質位於核膜內側，量少，常染色質散在於核的中部，量多，著色淺，核仁1～2個，大而明顯。細胞變性時，細胞核多移向周邊而偏位。
核膜位於細胞核的表麵，為雙層脂質單位膜結構，是細胞膜係統的一部分。有些部位核膜與粗麵內質網相通。核膜外層含有核蛋白體，核膜上有許多核孔。核孔是由一組蛋白質顆粒以特定的方式形成，通常稱為核孔複合體。核孔中央貫穿通道，允許胞質和細胞核內的某些物質的交換。哺乳動物神經元細胞核的核膜上有數千個核孔，核孔數量因神經細胞類型的不同而有差異，核孔數量還與細胞的功能狀態和細胞周期密切相關，通常分化程度低、合成代謝旺盛的細胞核孔數量多。
核染色質是DNA核蛋白，核仁是含有RNA的核蛋白，後者是合成rRNA的場所。含有DNA的核蛋白在細胞核中構成比較致密的異染色質，它是染色體的染色絲未鬆開的部分。常染色質位於異染色質的之間，是染色體的鬆開部分，也是正在使用和活動的部分。
在神經元中由於常染色質多，神經細胞核常常被染色成空泡狀。在核膜內層和核仁旁，或者核膜與核仁之間常見到巴氏小體（bar body），是一種染色較深的物質，出現在雌性動物，它可能是由兩條X染色體所構成的。
3、細胞質位於核的周圍，又稱核周質或核周體（perikaryon），其中含有發達的高爾基複合體、滑麵內質網、豐富的線粒體、尼氏體及神經原纖維，還含有溶酶體、脂褐素等結構。具有分泌功能的神經元，胞質內還含有分泌顆粒，如位於下丘腦的一些神經元。尼氏體和神經原纖維是神經元胞質中的特征性結構。