分子神经科学是神经科学的一个分支，它观察应用于动物神经系统的分子生物学概念。该主题的范围涵盖分子神经解剖学、神经系统中分子信号传导机制、遗传学和表观遗传学对神经元发育的影响以及神经可塑性和神经退行性疾病的分子基础等主题。与分子生物学一样，分子神经科学是一个相对较新的领域，充满活力。
在分子生物学中，神经元之间的交流通常是通过细胞之间称为突触的间隙的化学传递来实现的。传输的化学物质，称为神经递质，调节重要的身体机能。可以通过标记技术在解剖学上定位神经递质。通过用甲醛固定神经组织切片，可以化学鉴定某些神经递质，例如儿茶酚胺。当暴露在紫外线下时，这会引起甲醛诱导的荧光。多巴胺，一种儿茶酚胺，通过使用该技术在线虫线虫中被鉴定出来。免疫细胞化学，涉及针对目标化学或生物实体产生抗体，包括一些其他感兴趣的技术。靶向神经递质可以通过具有放射性标记的一抗和二抗进行特异性标记，以便通过放射自显影识别神经递质。可以在酶联免疫细胞化学或酶联免疫吸附测定(ELISA)中观察到神经递质的存在（尽管不一定是位置），其中酶促测定中的底物结合可以诱导沉淀、荧光团或化学发光。如果无法通过组织化学方法识别神经递质，另一种方法是通过神经摄取机制定位它们。
活生物体中的可兴奋细胞具有电压门控离子通道。这些可以在整个神经系统的神经元中观察到。第一个被表征的离子通道是ALHodgkin和AFHuxley在年代研究鱿鱼属Loligo的巨大轴突时的钠离子通道和钾离子通道。他们的研究证明了细胞膜的选择性渗透性取决于生理条件，以及由这些渗透性产生的产生动作电位的电效应。
钠离子通道
钠通道是第一个电压门控离子通道，于年由ShosakuNuma从电鳗中分离出来。河豚毒素河豚毒素(TTX)是一种钠通道阻滞剂，通过使用柱层析技术进行化学分离，通过结合钠通道蛋白来分离钠通道蛋白。通过Edman降解分析蛋白质的氨基酸序列，然后用于构建可用于克隆通道蛋白的cDNA文库。克隆通道本身允许应用程序，例如识别其他动物的相同通道。众所周知，钠通道在分级电位和动作电位的发展过程中与钾通道协同工作。钠通道允许Na+离子流入神经元，导致神经元静息膜电位的去极化，从而导致分级电位或动作电位，这取决于去极化的程度。
钾离子通道
钾通道有多种形式，存在于大多数真核细胞中，通常倾向于将细胞膜稳定在钾平衡电位。与钠离子一样，分级电位和动作电位也取决于钾通道。Na+离子流入神经元会诱导细胞去极化，而K+离子流出神经元会导致细胞重新极化至静息膜电位。钾离子通道本身的激活依赖于动作电位期间Na+流入引起的去极化。与钠通道一样，钾通道有其自身的毒素，可阻断通道蛋白的作用。这种毒素的一个例子是大阳离子四乙基铵(TEA)，但值得注意的是，考虑到物种间通道类型的多样性，该毒素对所有钾通道的作用机制并不相同。钾通道的存在首先在黑腹果蝇中被发现由于细胞复极化问题导致异常的神经元和肌肉电生理学，突变果蝇在麻醉时无法控制地颤抖。钾通道最初是通过操纵分子遗传学（果蝇）而不是进行通道蛋白纯化来识别的，因为在发现时没有已知的钾通道高亲和力配体（如TEA）。
离子通道
钙通道对于某些细胞信号级联反应以及轴突末端的神经递质释放很重要。在可兴奋细胞中发现了多种不同类型的钙离子通道。与钠离子通道一样，钙离子通道已通过层析纯化技术分离和克隆。值得注意的是，与神经递质释放的情况一样，钙通道可以与细胞内蛋白质相互作用并在信号传导中发挥重要作用，尤其是在肌肉细胞的肌浆网等位置。
