สมองยังไม่เข้าใจอย่างสมบูรณ์ จึงมีงานวิจัยที่กำลังเป็นไปอยู่[182]นักประสาทวิทยาศาสตร์ บวกกับนักวิจัยในสาขาที่สัมพันธ์กันอื่น ๆ กำลังศึกษาว่าสมองทำงานอย่างไรขอบเขตของสาขาโดยเฉพาะ ๆ เช่นของประสาทวิทยาศาสตร์ ประสาทวิทยา และสาขาอื่น ๆ รวมทั้งจิตเวชไม่ค่อยชัดเจน เพราะล้วนแต่ได้รับประโยชน์จากการวิจัยขั้นพื้นฐานในประสาทวิทยาศาสตร์

ประสาทวิทยาศาสตร์ได้ขยายตัวอย่างมากในทศวรรษที่ผ่าน ๆ มาทศวรรษแห่งสมอง (Decade of the Brain) ซึ่งเป็นโครงการริเริ่มของรัฐบาลสหรัฐในช่วงคริสต์ทศวรรษ 1990 ถือว่าช่วยเพิ่มงานวิจัยเช่นนี้[183]ซึ่งต่อมาติดตามด้วยโครงการ BRAIN Initiative ในปี 2013[184]โปรเจ็กต์ Human Connectome Project เป็นโครงการศึกษา 5 ปีที่เริ่มในปี 2009 เพื่อวิเคราะห์การเชื่อมต่อกันทางกายวิภาคและทางหน้าที่ของส่วนต่าง ๆ ในสมอง ซึ่งได้ให้ข้อมูลเป็นอย่างดี[182]

วิธีการศึกษา

ความรู้เรื่องโครงสร้างและหน้าที่ของสมองมนุษย์มาจากวิธีการทดลองต่าง ๆ รวมทั้งที่ทำในสัตว์และมนุษย์ข้อมูลในเรื่องการบาดเจ็บของสมองและโรคหลอดเลือดสมองได้ให้ความรู้เกี่ยวกับหน้าที่ของสมองส่วนต่าง ๆ และผลของความเสียหายต่อสมองการสร้างภาพสมอง (neuroimaging) สามารถใช้ตรวจสมองและบันทึกการทำงานเทคนิคทางสรีรวิทยาไฟฟ้าสามารถใช้วัด บันทึก และเฝ้าตรวจการทำงานทางไฟฟ้าของเปลือกสมองการวัดอาจเป็นศักย์สนามไฟฟ้าเฉพาะที่ (local field potential) ของบริเวณต่าง ๆ ในเปลือกสมอง หรือของการทำงานของเซลล์ประสาทเซลล์เดียวการบันทึกคลื่นไฟฟ้าสมองสามารถบันทึกคลื่นไฟฟ้าในเปลือกสมองโดยแปะอิเล็กโทรดที่หนังศีรษะโดยไม่ต้องผ่าไม่ต้องเจาะ[185][186]วิธีที่ต้องผ่าต้องเจาะรวม electrocorticography ซึ่งแปะอิเล็กโทรดโดยตรงที่ผิวสมองโดยผ่าเปิดกะโหลกศีรษะเช่น ใน cortical stimulation mapping ซึ่งใช้ศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างบริเวณต่าง ๆ ของเปลือกสมองกับการทำงานเป็นระบบ[187]ถ้าใช้ไมโครอิเล็กโทรดที่เล็กกว่ามาก ก็สามารถบันทึกการทำงานของเซลล์ประสาทเซลล์เดียว ที่ให้ทั้งรายละเอียดทั้งทางปริภูมิและทางเวลาได้ดีซึ่งสามารถทำให้เชื่อมการทำงานของสมองกับพฤติกรรม แล้วสร้างแผนที่ประสาท[188]

การพัฒนาอวัยวะเทียมคล้ายสมอง (cerebral organoid)[upper-alpha 46]ได้เปิดโอกาสให้ศึกษาการเจริญเติบโตของสมองกับเปลือกสมอง ให้เข้าใจการเกิดโรค ซึ่งสามารถนำไปใช้เพื่อรักษาได้[191][192]

การสร้างภาพ

เทคนิคการสร้างภาพประสาทโดยกิจ (functional neuroimaging) สามารแสดงการทำงานของสมองที่สัมพันธ์กับหน้าที่ของบริเวณสมองต่าง ๆ โดยเฉพาะ ๆเทคนิคหนึ่งก็คือ fMRI ซึ่งดีกว่าเทคนิคก่อน ๆ คือ SPECT และ PET เพราะไม่จำเป็นต้องใช้สารกัมมันตภาพรังสีและให้รายละเอียดได้มากกว่า[193]เทคนิคอีกอย่างหนึ่งก็คือ functional near-infrared spectroscopy (สเปกโทรสโกปีโดยกิจด้วยแสงใกล้รังสีอินฟราเรด) เทคนิคต่าง ๆ เหล่านี้อาศัยการตอบสนองทางการไหลเวียนของเลือด (haemodynamic response) ซึ่งแสดงการทำงานของสมองเทียบกับการเปลี่ยนแปลงการไหลเวียนของเลือด และใช้ประโยชน์เพื่อทำแผนที่การทำงานของสมอง[194]ส่วน resting state fMRI (fMRI เมื่อขณะพัก)ตรวจดูปฏิสัมพันธ์ระหว่างสมองส่วนต่าง ๆ เมื่อไม่ได้ทำงานใด ๆ โดยเฉพาะ[195]จึงสามารถแสดงส่วนของสมองที่เรียกว่า เครือข่ายภาวะโดยปริยาย (default mode network)[upper-alpha 45]ได้ด้วย

กระแสไฟฟ้าย่อมสร้างสนามแม่เหล็กตามกฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ดังนั้น คลื่นสมองจึงก่อสนามแม่เหล็กอ่อน ๆ และจึงสามารถสร้างภาพการทำงานของสมองอย่างละเอียดด้วยเทคนิค functional magnetoencephalography ได้[198]ส่วน tractography ใช้ MRI บวกกับการวิเคราะห์ภาพเพื่อสร้างภาพสามมิติของลำเส้นใยประสาทในสมองและ connectogram เป็นกราฟแสดงการเชื่อมต่อกันของส่วนต่าง ๆ ในสมอง[199]

ความแตกต่างของโครงสร้างสมองสามารถวัดได้ในโรคบางโรค ที่เด่นสุดคือโรคจิตเภทและภาวะสมองเสื่อมการสร้างภาพโดยใช้คุณสมบัติทางชีวภาพต่าง ๆ ได้ให้ความรู้เพิ่ม เช่น โรคซึมเศร้า และโรคย้ำคิดย้ำทำแหล่งข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับการทำงานของสมองส่วนต่าง ๆ ก็คือผลที่ได้เมื่อเกิดความเสียหาย[200]

ความก้าวหน้าของการสร้างภาพทางประสาทได้สร้างความรู้แบบปรวิสัยในเรื่องจิตพิการต่าง ๆ ทำให้สามารถวินิจฉัยโรคได้เร็วกว่า พยากรณ์โรคได้แม่นยำกว่า และเฝ้าติดตามโรคได้ดีกว่า[201]

การแสดงออกของยีนและโปรตีน

ชีวสารสนเทศศาสตร์เป็นสาขาการศึกษาซึ่งรวมการสร้างและพัฒนาฐานข้อมูล และเทคนิคทางการคำนวณและทางสถิติ เพื่อใช้ศึกษาสมองมนุษย์ โดยเฉพาะในเรื่องการแสดงออกของยีนและโปรตีนชีวสารสนเทศศาสตร์และการศึกษาทางจีโนมิกส์โดยกิจ (functional genomics) ทำให้จำเป็นต้องพัฒนาเทคนิค DNA annotation ซึ่งเป็นเทคโนโลยีเชิง transcriptome[upper-alpha 47]คือการระบุยีน ตำแหน่งของยีน และหน้าที่ของยีน[202][203][204]โดยมี GeneCards เป็นฐานข้อมูลสำคัญฐานหนึ่ง

จนถึงปี 2017 ได้ค้นพบยีนที่เข้ารหัสโปรตีนเกือบ 20,000 ยีนที่แสดงออกในมนุษย์[202]ประมาณ 400 ยีนมีเฉพาะในสมอง[205][206]ข้อมูลการแสดงออกของยีนในสมองได้สนับสนุนให้ทำงานวิจัยเกี่ยวกับโรคต่าง ๆ ได้มากขึ้นเช่น การดื่มเหล้าเป็นเวลานานพบว่า เปลี่ยนการแสดงออกของยีนในสมอง และการเปลี่ยนแปลงของเซลล์ชนิดโดยเฉพาะ ๆ ซึ่งอาจสัมพันธ์กับการติดเหล้า[207]ความเปลี่ยนแปลงเช่นนี้ได้พบที่ transcriptome[upper-alpha 47] ของไซแนปส์ที่ prefrontal cortex ซึ่งเชื่อว่าเป็นปัจจัยอย่างหนึ่งที่ทำให้ติดเหล้าและทำให้ติดสารเสพติดอื่น ๆ[208]

งานศึกษาที่สัมพันธ์กันอื่น ๆ ได้แสดงหลักฐานว่าไซแนปส์ได้เปลี่ยนไปหรือเสียหายไปในคนชราคือการแสดงออกของยีนได้เปลี่ยนระดับโปรตีนในวิถีประสาทต่าง ๆ ซึ่งปรากฏชัดว่า มีไซแนปส์ที่ผิดปกติหรือเสียหายไปการทำงานผิดปกตินี้พบว่า มีผลต่อโครงสร้างมากมายในสมอง และมีผลที่ชัดเจนต่อเซลล์ประสาทแบบยับยั้ง คือมีผลให้การสื่อประสาทลดลง ตามด้วยการทำงานทางประชานที่เสื่อมลงและเป็นโรค[209][210]