Neirobioloģijas jēdzienam bieži kā sinonīmu lieto jēdzienu "neirozinātne".

Teorētiskās zināšanas neirobioloģijā sniedz priekšstatus par nervu sistēmas struktūrām un to veidošanos no filoģenētiskā un ontoģenētiskā viedokļa, kā arī palīdz izprast fizioloģisko funkciju regulācijas likumsakarības cilvēka un dzīvnieka organismā. Izmantojot zināšanas par nervu šūnu savstarpējo informatīvo mijiedarbību, kā arī funkcionālo saikni ar citām organisma šūnām, tiek veidoti priekšstati par psihes funkcijām un uzvedību. Neirobioloģijas atziņas ir nozīmīgas cilvēka medicīnā un veterinārmedicīnā. Īpaši aktuālas tās ir mūsdienās saistībā ar pētījumiem par nervu šūnu atjaunošanās iespējām neirodeģeneratīvo slimību un nervu sistēmas traumatisku bojājumu gadījumos.

Neirobioloģija ir cieši saistīta ar anatomiju, bioķīmiju, fizioloģiju, molekulāro bioloģiju, farmakoloģiju un fiziku. Funkcionālo neironu tīklu izpētē plaši tiek izmantotas matemātikās modelēšanas metodes. Neirobioloģijā pēc izpētes objekta, metodēm un izmantojuma mērķa izdala vairākas apakšnozares. Papildus klasiskajām apakšnozarēm, kā neiroanatomija, kas pēta nervu sistēmas un nervu šūnu struktūras, pastāv arī neirofizioloģija, kas izzina procesus un mehānismus, kuri skaidro nervu šūnu darbību organismā; evolucionārā neirobioloģija, kas pēta nervu sistēmas attīstību filoģenēzē; attīstības neirobioloģija, kas pēta nervu sistēmas veidošanos ontoģenēzē; neiroetoloģija, kas pēta uzvedības neirālos mehānismus; molekulārā neirobioloģija pēta nervu sistēmas bioloģiju ar molekulārās bioloģijas, molekulārās ģenētikas un ķīmijas metodēm. 21. gs. sākumā strauji attīstās tādas neirobioloģijas starpdisciplinārās apakšnozares kā kognitīvā neirobioloģija, kas pēta mehānismus, kuri ir pamatā izziņas funkcijām; datorneirobioloģija – pēta informācijas apstrādes procesus smadzenēs, kā arī, izmantojot datorsimulācijas metodes, pēta teorētiskos modeļus neironu funkcionālajiem tīkliem; kultūrneirobioloģija – pēta cilvēka uztveri, kultūras vērtību, pieredzes un uzskatu veidošanos saistībā ar ģenētisko mantojumu un hronoloģiju un to, kā tas ietekmē cilvēka psihi un uzvedību; neiroinženierija – attīsta bioinženierijas metodes un tehniskās iespējas nervu sistēmas struktūru un funkcionālo spēju pētīšanai.

Neirobioloģijā nav definētu vispāratzītu teoriju, ko varētu uzskatīt par šīs zinātnes nozares teorijām. Pašreizējie priekšstati par nervu sistēmas darbību pamatojas uz neirobioloģijas attīstības gaitā iegūtām atziņām, kuras vispārinot var definēt šādi: nervu sistēmas funkcionālā pamatvienība ir neirons – strukturāli un funkcionāli plastiska, uzbudināma un sekretora šūna. Jaunu neironu veidošanās (neiroģenēze) nobriedušā nervu sistēmā – gan centrālajā, gan perifērajā ‒ no cilmes šūnām ir iespējama organisma visas dzīves laikā, tomēr neiroģenēze centrālajā nervu sistēmā ir ļoti ierobežota. Informatīvā sazināšanās starp neironiem, tostarp neironiem un citām organisma šūnām, notiek: 1) ar neironu sintezēto un ekstracelulāri sekretēto signālvielu starpniecību, ko uztver mērķšūnā (visbiežāk tās ārējā membrānā) prezentētas specifiskas olbaltumvielas – receptori, kas rosina mērķšūnas darbības izmaiņas; 2) ar bioelektrisko signālu – elektriskā potenciāla ‒ starpniecību, kur šā signāla nesēji ir lādētas daļiņas – joni.

Mūsdienās neirobioloģija ir izteikti plaša un starpdisciplināra zinātnes nozare. Ņemot vērā pētījuma mērķi, tiek izmantotas gan klasiskās anatomijas, histoloģijas, fizioloģijas un etoloģijas metodes (zinātnisks novērojums, akūts vai hronisks eksperiments, izolētu audu pētījumi), gan apakšnozarei specifiskas metodes, piemēram, smadzeņu darbības izpētei dzīvam organismam izmanto elektrofizioloģiskās metodes (piemēram, elektroencefalogrāfiju, magnetoencefalogrāfiju), funkcionālās attēlveides metodes (piemēram, pozitronu emisijas tomogrāfiju), magnētiskās rezonanses attēlveidi, kā arī farmakoloģiskās metodes un kairinājuma-bojājuma metodi. Starpšūnu (neironu) informatīvās mijiedarbības izpētei, kas ir pamatā psihes funkcijām, kā arī neironu plastisko procesu izpētei nervu sistēmā, bieži tiek izmantoti modeļeksperimenti ar izolētiem bezmugurkaulnieku (molusku, posmkāju, posmtārpu) nervaudiem vai nervu šūnu kultūrām. Datorsimulācijas un matemātiskās modelēšanas metodes tiek izmantotas funkcionālo neironu tīklu modeļu veidošanai.

Senākās atziņas par pētnieciskām iemaņām nervu sistēmas darbības izpētē un iejaukšanos tās darbībā atrodamas jau Senās Ēģiptes liecībās. Seno ēģiptiešu raksti ap 1700. gadu p. m. ē. liecina, ka ēģiptiešiem bija zināšanas par smadzeņu bojājumu un disfunkciju simptomiem. Galvaskausu ķirurģiskas trepanācijas, lai mazinātu kraniālo spiedienu vai ārstētu garīgās slimības, plaši veiktas vēlīnajā akmens laikmetā (4500.–1500. gadā p. m. ē.) dažādās kultūrās un civilizācijās. Sengrieķu ārsts Hipokrats (Ιπποκράτης) atzina, ka smadzenes ir iesaistītas ne tikai maņu nodrošināšanā (jo vairāki maņu orgāni ‒ acis, ausis, mēle, deguns ‒ atrodas galvā līdzās smadzenēm), bet smadzenes ir arī inteliģences veidošanās vieta. Atziņas par smadzeņu lomu dvēseles un garīguma radīšanā izteica sengrieķu filozofi Platons (Πλάτων) un Aristotelis (Ἀριστοτέλη). Sengrieķu ārsts Klaudijs Galēns (Κλαύδιος Γαληνός), kurš savas ārsta iemaņas izmantoja, aprūpējot gan atlētus antīkajās olimpiskajās spēlēs, gan gladiatorus senajā Romā, novēroja, ka ilgstošu smadzeņu bojājumu gadījumā tiek būtiski ietekmētas kognitīvās funkcijas. Arī agrajos viduslaikos vairāki arābu un ebreju izcelsmes ārsti un filozofi ‒ Ibn Rušds (ابن رشد), Ibn Zūrs (ابن زهر‎), Maimonids (מֹשֶׁה בֶּן־מַימוֹן) ‒ aprakstīja kognitīvo funkciju izmaiņas, kas saistītas ar smadzeņu darbības traucējumiem. Renesanses Eiropā flāmu izcelsmes anatoms Andreass Vezālijs (Andreas Vesalius) darbā “Par cilvēka ķermeni septiņās grāmatās” (De humani corporis fabrica Libri septem, 1543) precīzi aprakstīja un attēlos atainoja galvas smadzeņu, tostarp smadzeņu apvalku, uzbūvi. 17. gs. pirmajā pusē franču filozofs un dabas zinātnieks Renē Dekarts (René Descartes) smadzeņu darbību raksturoja kā mehānismu, kas darbojas neatkarīgi no sirds. Viņš izvirzīja refleksu teorijas pamatideju ‒ kairinātājs “atspoguļojas” smadzenēs, kur rodas ierosa (fizioloģisks process, kas rodas nervu audos, tiem reaģējot uz kairinājumu), kas liek ķermenim atbildēt. 18. gs. beigās itāļu ārsts, anatoms, biofiziķis Luidži Galavani (Luigi Galavani) atklāja bioelektriskos procesus nervos. 19. gs. pirmajā pusē franču fiziologs, smadzeņu izpētes eksperimentālo metožu pamatlicējs Žans Flurenss (Marie-Jean-Pierre Flourens) ieviesa metodi, ar kuras palīdzību pēc dzīvnieku uzvedības, kustību un sensorikas traucējumiem iespējams prognozēt smadzeņu bojājuma vietu. Novērojumi un pētījumi ar cilvēkiem, kuri bija guvuši smadzeņu traumas un funkcionālus bojājumus, kā arī pētījumi ar pērtiķiem veidoja priekšstatus par cilvēka gala smadzeņu lielo pusložu garozas dalījumu funkcionālajos laukos. 19. gs. beigās neirobioloģijas pētījumu attīstībā šūnas līmenī pavērsienu radīja mikroskopēšanas un audu histoloģiskās krāsošanas metožu pilnveidošana. Ap 1890. gadu itāļu ārsts un biologs Kamillo Goldži (Camillo Golgi) neironu apskatei mikroskopā sāka izmantot krāsošanas tehniku ar sudraba sāļiem, kas ļāva vizualizēt un pētīt atsevišķas nervu šūnas struktūras. Viņa vārdā nosauktas vairākas anatomiskās struktūras, tostarp dzīvnieka šūnu Goldži komplekss. K. Goldži ieviesto šūnu krāsošanas metodi izmantoja arī citi tā laika zinātnieki, strauji pilnveidojot zināšanas par dažādu neironu populāciju strukturālajām īpatnībām. Tā laika atklājumi rosināja neironu doktrīnas veidošanos, kurā tika postulēts, ka smadzeņu (arī nervu sistēmas) funkcionālā pamatvienība ir neirons. Šo hipotēzi ieviesa spāņu neirozinātnieks Ramons Kahals (Santiago Ramón y Cajal); to papildināja citi tā laika neirozinānieki: Rudolfs Alberts fon Kellikers (Albert von Kölliker, Rudolf Albert Kölliker), Francis Nisls (Franz Nissl), Ogists Anrī Forels (Auguste-Henri Forel) un citi. Angļu neirofiziologs Čārlzs Šeringtons (Charles Scott Sherrington) definēja nervu šūnu informatīvo kontaktu vietas, nosaucot tās par sinapsēm. 20. gs. sākumā zinātnieki Oto Levi (Otto Loewi), Henrijs Deils (Henry Hallett Dale), Džons Lenglijs (John Newport Langley) ievērojami pilnveidoja zinātniskās atziņas par neironu informatīvajām saiknēm, izmantojot neironu veidotās un sekretētās signālvielas – neiromediatorus, kas darbojas sinapsē.

20. gs. 50. gados tika pilnveidotas metodes, kas ļāva ar mikroelektrodu palīdzību reģistrēt bioelektriskā signāla (darbības potenciāla) izplatīšanos atsevišķā nervu šķiedrā un apskatīt un pētīt sinapšu un neirona mikrostruktūras elektronmikroskopā. Neirozinātnieki aizsāka apmācības un atmiņas bioķīmisko procesu izpēti, par modeļdzīvniekiem izmantojot bezmugurkaulniekus (jūras gliemi Aplysia). 20. gs. 70. gados datorizētās smadzeņu aktivitātes vizualizācijas metodes ļāva pētīt smadzeņu apvidu aktivācijas modeli atkarībā no sensnorās informācijas uztveres un analīzes un citām kognitīvajām funkcijām. Pilnveidojoties datorizētajām smadzeņu aktivitātes vizualizācijas metodēm, 20. gs. beigās, ko neirozinātnē dēvē par “smadzeņu dekādes” laiku, veidojās jauni priekšstati par informācijas analīzes un integrācijas modeli smadzenēs. Pētījumi šajā virzienā sekmēja patstāvīgas zinātnes nozares – kognitīvās (izziņas) bioloģijas – veidošanos.

Mūsdienās pētījumi tiek realizēti gan fundamentālās, gan praktiskās (medicīnas) neirobioloģijas jomās, gan nervu sistēmas (galvenokārt smadzeņu), gan celulārā līmenī. Kopš 20. gs. beigām aktuāli ir pētījumi par neiroģenēzi (jaunu neironu veidošanos) nobriedušās smadzenēs un neironu plasticitāti – ārējo stimulu ierosinātām strukturālām izmaiņām neironos, kā arī neiroglijas šūnu nozīmi neironu funkciju nodrošināšanā. Atklājumi šajā jomā pilnveido priekšstatus par informācijas saglabāšanu un reproducēšanu smadzenēs, kā arī ļauj samazināt neirodeģeneratīvo slimību biežumu vai pat ārstēt šīs slimības un smadzeņu traumatiskos bojājumus. 21. gs. otrajā desmitgadē krasi mainījušies priekšstati par smadzeņu kā bioloģiskas sistēmas darbību, par informācijas apstrādi smadzenēs, tādējādi mainot priekšstatus par psihes funkcijām. Neironu tīklu meklējumi cilvēka smadzenēs ir pamatā neiroinformātikas nozares un māksīgā intelekta attīstībai.

Ievērojami pētnieciskie centri, kas guvuši nozīmīgu starptautiska mēroga atzinību, ir Hārvarda Universitāte (Harvard University) un Kolumbijas Universitāte (Columbia University) Amerikas Savienotajās Valstīs; Makgila Universitātes (McGill University) Neirozinātnes pētījumu centrs (Centre for Research in Neuroscience) Kanādā; Kembridžas Universitāte (University of Cambridge), Londonas Universitātes koledža (University College London) un Oksfordas Universitāte (University of Oxford) Apvienotajā Karalistē, Maksa Planka Neirobioloģijas institūts (Max-Planck-Institut für Neurobiologie) Vācijā, Karolinskas institūts (Karolinska Institutet) Zviedrijā.

Nozīmīgākie periodiskie izdevumi: Neirozinātnes biedrības (Society of Neuroscience) žurnāls Journal of Neuroscience (kopš 1981. gada; JNeurosci), žurnāls Nature Neuroscience (kopš 1998. gada, Nature Publishing Group), žurnāls International Journal of Neuroscience (kopš 1978. gada, Informa Healscare USA), žurnāli Journal of Cognitive Neuroscience (kopš 1989. gada, izdod MIP Press USA) un European Journal of Neuroscience (kopš 1989. gada, Wiley-Blackwell Pub.).

Angļu ārsts Tomass Viliss (Thomas Willis) ir viens no neiroanatomijas pamatlicējiem. Viņam pieder vairāki bioloģiski medicīniski atklājumi. Grāmatā “Smadzeņu anatomija” (Cerebri anatome, 1664) viņš aprakstījis smadzeņu asinsriti, kā arī smadzeņu un nervu uzbūvi, pirmo reizi aprakstījis tādas smadzeņu struktūras kā zemgarozas svītroto ķermeni (Corpus striatum), redzes uzkalnu (Thalamus opticus), smadzeņu tiltu (Pons) un zirņveida ķermeņus (Corpus mamillare). T. Villijs ieviesa galvas smadzeņu nervu numerācijas sistēmu, kas tiek izmantota joprojām, kā arī vairākus tādus nozarei specifiskus terminus kā 'reflektorā atbilde', 'neiroloģija' un citus. Viņa atklājumi būtiski ietekmēja neirobioloģijas attīstību 17.‒18. gs. Vācu anatoms Korbinians Brodmanis (Korbinian Brodmann) publicēja datus par neironu morfoloģijas un slāņojuma īpatnībām dažādos lielo pusložu garozas apvidos. Viņa pusložu garozas veidoto kartējumu joprojām izmanto mūsdienu smadzeņu funkciju diagnostikā. R. Kahals, izmantojot K. Goldži atklāto histoloģisko šūnu struktūru krāsošanas metodi, veica pētījumus par centrālās nervu sistēmas mikrostruktūrām. Papildinot un uzlabojot K. Goldži atklājumus par to, ka nervu sistēmu veido plašs neironu tīkls, R. Kahals 1887. gadā postulēja atziņu, ka nervu sistēmu veido miljardi atsevišķu neironu un ka šīs šūnas ir polāras. Pretstatā K. Goldži hipotēzei par neironu saikni nepārtrauktā tīklojumā R. Kahals izvirzīja hipotēzi, ka neironi komunicē ar īpašu savienojumu starpniecību, kas 1897. gadā tika nosaukti par sinapsi. Pamatojoties uz šo atziņu, izveidojās mācība par neironu kā nervu sistēmas pamatvienību. R. Kahals arī izvirzīja hipotēzi, ka neirona izauguma (aksona) augšanas virzienu un ātrumu nosaka tā galā esošais augšanas konuss un ka augšanas virzienu var ietekmēt signāli, ko izdala citas šūnas. R. Kahals veica arī nozīmīgus pētījumus par cilvēka un dzīvnieku (mugurkaulnieku) lielo pusložu garozas kvalitatīvajām atšķirībām. O. Levi 1921. gadā pētījumos ar dzīvniekiem atklāja, ka informācijas nesējs, kas nodod informāciju no nervgaļa (klejotājnerva šķiedrām) uz mērķšūnu (sirdi), ir nevis elektriskais signāls, bet gan signālviela. Vēlāk tika noskaidrots, ka šī viela ir acetilholīns. Šis atklājums radīja pavērsienu izpratnē par nervu šūnu informatīvo sadarbību un sekmēja strauju neironu sekretorās funkcijas izpēti. Tika atklātas arī citas signālvielas, ko sekretē neironi. Pētnieku grupa amerikāņu zinātnieka Freda Geidža (Fred Gage) vadībā 1998. gadā atklāja, ka pieauguša cilvēka smadzenēs notiek jaunu nervu šūnu veidošanās. Viņa atklājums radikāli mainīja līdzšinējos priekšstatus par neiroģenēzi nobriedušās smadzenēs. F. Geidža vadītā pētnieku grupa veic pētījumus, kas saistīti ar nervaudu atjaunošanas iespējām, kas veidojušās smadzeņu funkcionālo bojājumu, traumu vai neirodeģeneratīvu slimību gadījumā.