现代神经科学经历了100年的历史，在现有的精致技术下，我们对大脑的思考方式已发生改变。显微镜设计与制造技术的改进，加上细胞染色技术的发展，使得神经学专家能够一眼就看到构成神经系统的特化细胞。有更多放大率的显微镜能展现出清晰的间隔部分，使专家能够更细致地探测神经细胞。新技术揭示了神经细胞之间的联系，展现了大脑复杂的系统性。
　　19世纪的组织学家第一次生成了神经细胞的图像，他们利用化学方法固化组织，然后把其浸八硝酸银溶液中，在强大的新型光学显微镜观察下，随机对少量细胞进行染色便能够使其可见。该技术显示了细胞体的轮廓及其延伸的网状物，它使伟大的神经解剖学家桑地牙哥·拉蒙卡哈(Santiago Ramony Cajal)证明了：神经系统是由细胞构成的。他在1899年制作了左图：它显示了浦肯野细胞(Pulkinje cclls)——在控制运动方面发挥重要作用的小脑大神经元——的细枝现在，荧光染料可以直接注入到细胞中，对研究者想要观察的那些细胞进行染色。本页图像显示的是一个被染成红色的浦肯野细胞以及被染成绿色的另一个细胞的神经纤维。单个浦肯野细胞与几十万的这种纤维相连
　　
　　电子束
　　
　　电子显微镜是20世纪30年代研发的，使用电子束而不是光束来照亮组织样本，提高了最高分辨率，因而可以区分更小的结构。上图是处理听觉信息的脑干的一部分，显示了一群神经细胞相连，放大了23900倍。微小、黯淡的圆圈是在细胞之间传送化学信号的突触小泡。20世纪80年代，电子显微镜学发展出来一个较新的方法，能够揭示神经细胞的内部结构。研究人员使用清洁剂清除细胞膜。铂和碳沉积到外露表层，以三维模型的形式重现细胞的内部特征，这可以在显微镜中观察到。右边的图像显示的是一个除去膜以显示细胞骨架——这是一个调节细胞生长和运动的骨架——的海马神经元(hippocanmpal neuron)。
　　
　　发光的细胞
　　
　　90年代中期，研究人员开始利用基因工程学方法处理有机体，在实验动物身上加入从海洋生物中发现的荧光蛋白(左图)来标记特定细胞。10年间，这些蛋白质用更复杂的方法被置入细胞中，使研究人员能监测生化反应，并实时追踪细胞蛋白的运动轨迹。现在科学家们能够用各种各样的颜色标记神经细胞。下图是一张老鼠大脑细胞的“脑虹”(Bminbow)图像，这样处理可以让不同的神经细胞发出不同色调的光。它显示出了海马体——对记忆有重要意义的大脑区域。这种技术在2007年发展起来，已详细揭示了细胞间的联系。
　　
　　三维立体
　　
　　激光共聚焦显微镜方法使用聚焦激光光束来扫描组织。聚焦光束减少了常规显微镜常出现的散射光信号，产生更清晰、更细致的影像。直接从每个点反射回来的光被用来构造三维图像。来自老鼠大脑皮层的锥体细胞(左)通过扫描不同深度的组织以及叠加一系列图像变得形象化。在90年代，科学家研发了一种进一步减少散射光的方法，被称为双光子显微镜法。这种方法使用红外线，能够深入探测活组织，产生的图像就像上图所示的老鼠的小脑部分。
　　
　　追踪纤维
　　
　　80年代，科学家们研制出荧光染料，以帮助他们研究长而细的、在细胞间传递信息的神经元延伸部分。染料被直接注入大脑中，成为细胞膜的一部分，并沿之输送，揭示了神经纤维的路径。左图突出了老鼠大脑皮层和丘脑——通常被称为大脑的中继站——的感觉区之间的远程联系。初生视觉皮层的纤维显示的是红色，而处理身体感觉的初生躯体感觉皮层的纤维显示成绿色。如今，科学家们可以在活的人脑中使用核磁共振成像(MRI)的一个新技术——扩散张量成像来安全地检查这些连接物。这种技术是20世纪90年代研发的，通过追踪大脑水分子来推断神经纤维的位置，因为水分子沿着神经纤维运动。上图显示的是人脑中自丘脑发散出的纤维。