Każda czynność, emocja i nabyta umiejętność mają podłoże biologiczne. Neurobiologia behawioralna bada te podstawy, łącząc mechanizmy neuronalne z obserwowalnym zachowaniem u zwierząt i ludzi.

Naukowcy wykorzystują badania nad uszkodzeniami, farmakologię, narzędzia genetyczne, elektrofizjologię i obrazowanie, aby zidentyfikować obwody i cząsteczki generujące określone zachowania. Klasyczne pytania dotyczą tego, jak mózg tworzy wspomnienia, co napędza motywację, jak bodźce sensoryczne przekształcają się w działanie i dlaczego pewne zachowania stają się patologiczne.

Dziedzina ta leży na pograniczu psychologii, fizjologii i biologii molekularnej. Odkrycia te stanowią podstawę leczenia uzależnień, lęków, zaburzeń ruchowych i upośledzenia funkcji poznawczych. Modele zwierzęce pozostają niezbędne, ponieważ umożliwiają manipulacje przyczynowe, które rzadko są możliwe u ludzi, podczas gdy badania na ludziach stanowią ostateczny test trafności.

Dobrze zaprojektowany eksperyment behawioralny może ujawnić, w jaki sposób pojedyncza synapsa lub rozproszona sieć wpływa na dalsze działania organizmu.