神经生物学是一门从分子、细胞、组织器官各个水平，研究神经系统的结构、功能、发生、发育、衰老、遗传等规律、疾病状态下神经系统的变化过程以及行为及学习和机制，它是生物科学的一个分支。威廉希尔根据神经生物学学所涉及的内容，现形成4个研究方向:

分子神经生物学：是在生物大分子水平上研究神经的结构与功能的科学。以生物化学、生物物理学和分子生物学的方法，对神经科学领域中的一些具体问题加以研究和阐述，是多门学科交叉形成的学科。研究的内容包括：突触、中枢神经及外周神经的可塑性、树突及轴突转运的分子机制、中枢神经递质、环核苷酸与神经功能、糖及质激素与脑的相互作用的分子机制、学习和记忆的形成（包括药物依赖）机理，以及要神经退行性疾病如老年性痴呆，帕金森病等的发病机制。

神经生理学：研究神经系统，包括周围神经系统，脊椎和脑的功能机理，利用分子，膜片钳电刺激、功能成像，光遗传学方法研究神经递质、受体和离子通道等功能特性。主要内容包括：躁狂症的生理学改变，以及学习和记忆的电生理学机理。

神经病学：研究中枢神经系统、周围神经系统及骨骼肌疾病的病因及发病机制、病理、临床表现、诊断、治疗及预防的一门临床医学学科。通过临床观察治疗，实验室检查，影像学检查等对常见神经系统疾病如脑血管疾病，老年性痴呆症，帕金森病、疼痛相关疾病，脊髓病变，中枢系统感染性疾病进行研究。

精神病学：精神病学是现代医学科学的一个重要组成分支，它主要研究精神障碍的病因、发病机理、病象和临床规律以及预防、诊断、治疗和康复等有关问题。涉及儿童青年精神医学、成人精神医学、老年精神医学等，只要疾病包括精神分裂症、情感性精神障碍（燥狂症、抑郁症）、儿童精神障碍、人格障碍、偏执性精神障碍、反应性精神障碍、老年精神障碍、睡眠障碍、性心理障碍、脑外伤所致精神障碍等。