Thần kinh học lý thuyết và tính toán quan tâm đến các phân tích lý thuyết và mô hình tính toán của các hệ thần kinh sinh học.Do các hệ thần kinh có liên quan mật thiết tới các quá trình nhận thức và ứng xử, ngành này còn liên quan chặt chẽ tới mô hình hóa hành vi và nhận thức.

Mục tiêu của ngành là xây dựng mô hình của các hệ thần kinh sinh học để tìm hiểu cơ chế hoạt động của các hệ thống sinh học. Để đạt được hiểu biết này, các nhà thần kinh học cố gắng xây dựng một mối liên hệ giữa dữ liệu về các quá trình sinh học quan sát được, các cơ chế sinh học cho xử lý thần kinh với việc học (các mô hình mạng neural sinh học) và lý thuyết (lý thuyết học bằng thống kê và lý thuyết thông tin).

Các loại mô hình

Ngành thần kinh học sử dụng nhiều mô hình tại nhiều mức độ trừu tượng khác nhau và mô hình các khía cạnh khác nhau của các hệ thần kinh. Từ các mô hình hành vi ngắn hạn của từng nơron, qua các mô hình phát sinh động lực cho các mạch nơron từ tương tác giữa các nơron cá thể, tới các mô hình phát sinh ứng xử từ các mô đun thần kinh trừu tượng đại diện cho các hệ thống con hoàn chỉnh. Các mô hình này còn bao gồm các mô hình về độ dẻo (plasticity) ngắn hạn và dài hạn của các hệ thần kinh và mối liên quan của nó tới việc học và ghi nhớ, từ mức một nơron tới mức hệ thống.

Các nghiên cứu hiện nay

Trong khi hầu hết các nghiên cứu ban đầu quan tâm đến các tính chất về điện của các neural, một phần đặc biệt quan trọng trong các nghiên cứu gần đây là sự tìm hiểu vai trò của các neuromodulators chẳng hạn dopamine, acetylcholine, và serotonin đối với hành vi và học tập.