Fiecare acțiune, emoție și abilitate învățată are o bază biologică. Neuroștiința comportamentală investighează aceste fundamente prin corelarea mecanismelor neuronale cu comportamentul observabil la animale și oameni.

Cercetătorii folosesc leziuni, farmacologie, instrumente genetice, electrofiziologie și imagistică pentru a identifica circuitele și moleculele care generează comportamente specifice. Întrebările clasice includ modul în care creierul formează amintiri, ce anume determină motivația, cum se transformă inputul senzorial în acțiune și de ce anumite comportamente devin patologice.

Domeniul se află la intersecția dintre psihologie, fiziologie și biologie moleculară. Rezultatele studiului stau la baza tratamentelor pentru dependență, anxietate, tulburări de mișcare și deficiențe cognitive. Modelele animale rămân esențiale deoarece permit manipulări cauzale care sunt rareori posibile la oameni, în timp ce studiile pe oameni oferă testul suprem al relevanței.

Un experiment comportamental bine conceput poate dezvălui modul în care o singură sinapsă sau o rețea distribuită modelează acțiunile următoare ale unui organism.