Um 1780 bemerkte der italienische Arzt Luigi Galvani, dass das Bein eines präparierten Frosches zuckte, sobald zwei verschiedene Metalle es berührten. Er folgerte, biologisches Gewebe enthalte tierische Elektrizität. Sein Zeitgenosse Alessandro Volta widersprach und baute die erste Batterie, um zu zeigen: die Elektrizität steckt in den Metallen, nicht im Frosch. Beide hatten zum Teil recht. Bis in die 1850er hatte Hermann von Helmholtz die Leitungsgeschwindigkeit eines Nervenimpulses bestimmt (~30 m/s, weit langsamer als Strom in Kupferdraht). In den 1880ern hatte Santiago Ramón y Cajal — der das Gehirn unter dem Mikroskop von Hand zeichnete, mit der Golgi-Silberfärbung — gezeigt, dass das Nervensystem kein durchgehendes Retikulum ist, sondern ein Netzwerk einzelner Zellen, der Neuronen. Die Neuronendoktrin trägt seither die gesamte moderne Neurowissenschaft.
Ein Neuron ist eine spezialisierte Zelle, die elektrochemische Signale empfängt, integriert und weitergibt. Anatomisch: ein Zellkörper (Soma) mit dem Zellkern; Dendriten (verzweigte Fortsätze, die Eingänge sammeln); ein einzelnes Axon (der Ausgangsfortsatz, Millimeter bis über einen Meter lang); Axonterminalen, die an Synapsen andere Neuronen berühren. Im Ruhezustand liegt das Zellinnere bei rund −70 mV gegenüber dem Äußeren, gehalten von Ionenpumpen (Natrium-Kalium-ATPase) und selektiven Ionenkanälen. Das Ruhepotenzial kommt daher, dass die Membran für Kalium durchlässiger ist als für Natrium. Synaptischer Eingang an den Dendriten depolarisiert die Membran lokal; diese Potenziale summieren sich auf dem Weg zum Axonhügel, der Integrationszone. Übersteigt die Summe den Schwellenwert (~ −55 mV), öffnen sich spannungsgesteuerte Natriumkanäle, Natrium strömt ein, und das Membranpotenzial kippt rasch auf rund +30 mV — das Aktionspotenzial, etwa eine Millisekunde lang. Repolarisation: spannungsgesteuerte Kaliumkanäle öffnen sich, die Membran kehrt zur Ruhe zurück, gefolgt von einer kurzen Refraktärphase, ehe ein neuer Spike feuern kann. Das Aktionspotenzial läuft mit ~1 m/s in unmyelinisierten Axonen und bis zu ~120 m/s in myelinisierten (es springt zwischen den Ranvier-Schnürringen — saltatorische Erregungsleitung). Hodgkin und Huxley (1952, Nobelpreis 1963) erarbeiteten die zugrundeliegende Mathematik an Riesenaxonen des Tintenfischs — ein Differentialgleichungssystem für die Leitfähigkeiten der Natrium- und Kaliumkanäle, das die Form des Aktionspotenzials mit außerordentlicher Genauigkeit vorhersagt. Das Aktionspotenzial ist Alles-oder-Nichts: jeder überschwellige Eingang erzeugt einen Spike voller Amplitude. Information im Nervensystem steckt vor allem darin, welche Neuronen wann und mit welcher Rate feuern. Im Gehirn liegen rund 86 Milliarden Neuronen, mit im Mittel der Größenordnung 10 000 Synapsen pro Zelle — insgesamt Billionen synaptischer Kontakte.
Die Patch-Clamp-Technik (Sakmann und Neher, Nobelpreis 1991) misst Ströme einzelner Kanäle und ist bis heute der Goldstandard für Ionenkanal-Pharmakologie, von Antiepileptika über Lokalanästhetika bis zu Antiarrhythmika. Die Optogenetik (ab ~2005) schleust lichtempfindliche Ionenkanäle in bestimmte Neuronenpopulationen ein und erlaubt es, Aktionspotenziale per Licht auszulösen oder stillzulegen — eine Methode, die die Schaltkreis-Neurowissenschaft umgekrempelt hat und für Blindheit und Depression in frühen klinischen Studien steckt. Hirn-Computer-Schnittstellen (BrainGate, Neuralink, Synchron) zeichnen Aktionspotenziale aus kortikalen Neuronen ab und übersetzen die Spike-Folgen in Computerbefehle; gelähmte Patienten tippen damit, steuern Armprothesen und (2024) sprechen über eine synthetisierte Stimme. Mehrelektroden-Arrays (Neuropixels) zeichnen gleichzeitig von Hunderten Neuronen ab. Die Konnektomik — die Kartierung jeder einzelnen Synapse — ist für C. elegans abgeschlossen (302 Neuronen, 1986), für das gesamte adulte Drosophila-Gehirn (~140 000 Neuronen, 2024). Das menschliche Konnektom liegt noch in weiter Ferne; ob es zum Verständnis des Gehirns überhaupt nötig oder hinreichend ist, ist eine der großen offenen Fragen.