Con el desarrollo del microscopio, la neurociencia experimentó un avance notable que culminó con la obra de Santiago Ramón y Cajal, quien formuló la doctrina neuronal en la que el sistema nerviosa está formado por células independientes o neuronas que contactan entre sí en lugares específicos. En 1874, Karl Wernicke propuso una nueva teoría de la función cerebral llamada "conectivismo". Según ella, solo las funciones mentales más elementales, como las actividades motoras, tienen una localización en una única región del cerebro.
Sin embargo, las conexiones entre las diversas áreas hacen posible las funciones intelectuales complejas, es decir, que diferentes aspectos de una misma función son procesados en diferentes lugares del cerebro. Esta noción se conoce hoy en día como "procesamiento distribuido" y es posiblemente uno de los conceptos más fecundos de la neurociencia moderna. La bioquímica ofreció una aportación fundamental en los años sesenta del siglo XX, cuando Hornykiewicz observó una disminución de la dopamina en el cerebro de pacientes con Parkinson, lo que constituye la primera documentación de una correlación entre el déficit en un neurotransmisor y la presencia de un trastorno neurológico.
