脑是大自然最复杂、最杰出的创造，是人类智慧的源泉，它接受外界信号、产生感觉、形成意识、进行逻辑思维、发出指令产生行为，形成了四大基本功能，即感觉、运动、调节（适应）和高级功能。其中高级功能是指认知、注意、学习、记忆、语言、思维等。从信息理论上讲，人类大脑可储存的信息相当于藏书1000万册的美国国会图书馆的50倍，大脑神经功能细胞之间每秒可完成1000万次的链接。大脑如此重要和神奇，揭示脑的奥秘成了现代科学面临的最大挑战。可以说，这是人类认识的最后疆域。近年来脑科学的巨大进展充分体现了面临挑战的脑科学家已经取得的成功，这又进一步增强了他们对未来的信念。脑科学家相信，人类能够了解脑。而且，他们眼下正干得很好！对脑和脑的活动的了解比任何时候都要深刻，并且还在与日俱增。当然，对于脑的复杂高级功能的了解还停留在初始期，还有待突破。阐明神经活动的基本过程、认识实现各种功能的神经回路基础、揭示脑的高级功能机制、阐明神经系统疾患、从病因、机制去探索新的治疗手段、为人工智能提供启示等，都是对大脑进行研究即脑科学研究的主要目标。
        在神经科学家或脑科学家来看，脑和神经系统是一个统一的、整体的两个部分。从严格的意义上，我们把认识脑和神经系统的功能以及它的工作原理统称为神经科学，用一个比较通俗的名字就是脑科学。从19世纪末叶起，人们逐渐认识到，要揭示脑的奥秘，一方面必须描绘脑的各种组构，搞清它们的相互联系，另一方面必须分析脑的各部分如何工作以及它们如何协同实现各种功能。这两方面构成了脑研究的两个传统分支———神经解剖学和神经生理学。这两个学科几乎是独立的，并行发展，且都取得了巨大的进展。到了20世纪60年代，两学科的壁垒逐渐被打破，同时细胞生物学、分子生物学等其他许多学科急速发展，并逐渐介入神经系统的研究。1962年，F.O.Schmitt在麻省理工学院创建了神经科学研究规划组织（NPP），这是一个由不同学科的科学家组成的国际交叉学科组织，它的创建及一系列研究使“神经科学”得到了广泛的承认和运用，许多相关学科的科学家大量涌入这一领域，使神经科学在40年来产生了飞跃的发展。
        众多神经细胞通过突触进行信息传递和加工，这是我们大脑思维活动的基本机制；而不同的脑区掌管着不同功能
大脑大概是由10的11次方、上千亿个神经元（细胞）组成，这个数字相当于整个银河系的星体的总数。它们之间通过一定的连接点组成一个极其复杂的网络系统来实施整体性的功能。这个连接点，我们的专业名词把它叫做突触，突触的总数又是神经细胞总数的1000倍，也就是10的14次方。细胞在兴奋的时候就会产生一个动作电位，再讲得简单一点就是神经脉冲，神经冲动，比如我讲话的时候，我的语言区有许多细胞都会产生这样的神经冲动，您在听的时候，你们的听觉区也会产生许多神经冲动。但是产生的生物电并不是直接以电的形式流过连接点，这些冲动到达细胞的轴突的终端使之释放一些化学物质，这些化学物质叫做神经传递物质，或者简称神经递质。这种递质释放后越过突触间隙，与第二个神经元细胞膜上的一种物质———受体结合，这样就把一个细胞的信息传递到第二个细胞上去。打一个比较形象的比喻，就像一辆汽车行驶到河边的时候，不是通过河上面的桥直接过去，而是把上面所载的东西卸下来，放到船上去，然后这船再把所载的信息传递给下一个细胞。这样的化学传递具有一个非常突出优点即相当高的灵活性和可塑性，这也是我们的大脑具有可塑性的根本原因。我们的思维之所以不断地被环境、经验所修饰，能够学习，记忆就在于我们的脑具有可塑性。
        通过视觉、触觉、味觉、听觉、嗅觉等感觉的基础是相应感觉系统的活动———接收感觉信号经感觉通路中各种神经回路的复杂加工处理，最终引起感知。这个过程就是脑科学的关于感觉研究的重点，感觉神经生物学研究就是阐明感受器中的信号转导，信息在感觉通路和回路中的传递和调控，中枢对感觉信息的分析、整合。比如视觉，它是最重要的感觉，至少有70％的外界信息是由视觉系统接收、处理和感知的，视觉信号经视网膜的神经网络处理后，由视神经向中枢传递，通过丘脑外侧膝状体后到达视皮层。在视中枢进行复杂的信息加工，最终导致视知觉，研究还发现，在视网膜水平上已经开始了图像信息处理，从很多意义上来看，视网膜都是研究脑的工作原理的较理想的切入口，视觉研究已跃居于神经科学的前沿。
        学习是脑的高级功能之一，它是通过神经系统不断接受刺激，获得新的行为、习惯和积累经验的过程。记忆则是将获得信息加以储存和再现的能力。记忆有两种，一种是显性记忆，对事实和所经历的事件的记忆，作出明确的、有意识的努力，如记住了某人的生日、某事件的过程；另一种是隐性记忆，指不上升到意识而是下意识的，如掌握了某种技能（骑车、打球等）。哪些脑区参与了学习与记忆过程，这是研究学习与记忆机制一个重要方面。从目前的研究结果来看，记忆的不同侧面（如对某一物体的颜色、大小、形状等不同侧面的记忆），是以平行的方式安放的、并不存在单一的记忆区，而是分布在许多不同的脑区。同时，有不同层次的回路参与活动。用条件反射等方法研究隐性记忆时，人们发现，不同的隐性记忆所利用的脑区是不同的。例如，运动技巧类的记忆，与基底神经节、小脑有关；带有情绪色彩的记忆，例如，因惊恐而引起的心跳变化的那一类记忆，与杏仁体有关，这是因为杏仁体是大脑边缘系统的一部分，而边缘系统与情绪有密切关系。涉及显性记忆的脑区可能更广泛也更复杂，因为它多半涉及到认知、语言表达等活动方式。国外有一位癫痫病人，接受了外科手术双侧记忆颞叶切除术，大脑两侧的杏仁体、钩回、海马回及海马前2/3都被切掉。结果发现，此人在智商（测试）、知觉、抽象思维或推理方面，均无不足之处，但他的显性短期功能已严重受损。通过研究发现，位于两侧大脑半球内面的结构———海马和杏仁体是记忆过程中的关键结构 。
        对记忆和语言的神经机制的研究表明，我们应该了解自己的能力倾向，根据兴趣和爱好更好地发挥大脑的潜能。