Neurotieteen asiantuntijat suorittavat yksityiskohtaisia laboratoriokokeita ja kliinisiä kokeita aivojen rakenteesta ja toiminnasta. Tutkijat tunnistavat, miten tietyt kognitiiviset prosessit toimivat ja miten aivojen eri alueet kehittyvät ja muuttuvat koko elämän ajan. Voidakseen liittyä neurotieteen tutkimusryhmään yksilön on yleensä hankittava tohtorin tutkinto erikoisalalta ja hankittava usean vuoden kokemus ymmärtääkseen kognition uskomattoman monimutkaisen luonteen. Neurotieteen tohtorin saaminen sisältää tyypillisesti noin kahdeksan vuoden korkeakoulun ja yksityiskohtaisen väitöskirjan valmistumisen riippumattomaan tutkimukseen.
Henkilö voi valmistautua neurotieteen tohtoriohjelmaan jo lukiossa. Voidakseen valmistautua yliopistotunneille hän voi suorittaa biologian, fysiikan, anatomian ja psykologian syventäviä kursseja. Neuvonantajat voivat auttaa lukion opiskelijoita tunnistamaan akkreditoidut peruskoulut, jotka auttavat heitä lopulta pääsemään tohtoriohjelmiin. Valittaessa nelivuotista yliopistoa, opiskelijan tulee ottaa huomioon kunkin koulun tiedeohjelman maine ja mahdollisuudet harjoitteluun tai tutkimusavustajan tehtäviin.
Useimmat yliopiston fuksit, jotka haluavat ansaita neurotieteen tohtorin tutkinnon psykologiasta, biologiasta tai esilääketieteellisistä opinnoista. Tällaiset koulutusohjelmat tarjoavat opiskelijoille perustan mahdolliselle tutkimustyölle. Opiskelijat käyvät usein kursseja kognitiivisesta psykologiasta, aivojen ja käyttäytymisen tutkimuksista, anatomiasta ja tilastoista. Luokka- ja laboratoriotutkimusten avulla opiskelijoilla on mahdollisuus tutustua nykyisiin tutkimustrendeihin ja päättää alueista, joihin he haluavat keskittyä henkilökohtaisessa tutkimuksessaan. Monet opiskelijat harjoittavat harjoittelupaikkoja yliopistojen laboratorioissa parantaakseen mahdollisuuksiaan päästä jatko -ohjelmiin.
Lähellä kandidaatin tutkinto -ohjelmaa toiveikas neurotieteilijä voi alkaa hakea jatko -opintoihin. Useimmat akkreditoidut yliopistot valitsevat vuosittain hyvin rajoitetun määrän hakijoita koulutuksen menestyksen, pääsykokeiden tulosten, tutkimuskokemuksen ja henkilökohtaisten esseiden perusteella. Mahdollinen opiskelija, jolla on selkeät tutkimustavoitteet ja vahvat suositukset perustutkintoa suorittavilta professoreilta, hyväksytään todennäköisesti pääsyyn. Uudet opiskelijat tapaavat tyypillisesti neuvonantajien kanssa laatiakseen mukautettuja tutkinto -suunnitelmia, mukaan lukien opintojaksotyypit ja professorit, joiden kanssa he sopivat parhaiten tutkimuksen suorittamiseen.
Neurotieteen tohtorikoulutettavat osallistuvat luentoihin ja osallistuvat laboratoriotutkimuksiin. He työskentelevät usein ryhmissä muiden opiskelijoiden ja professoreiden kanssa mielekkäiden kokeiden parissa. Yksilön kiinnostuksen kohteista ja erikoisalasta riippuen hän voi auttaa tunnistamaan kognitiivisia prosesseja, tutkimaan mielenterveyden häiriön geneettistä perusta tai tutkimaan lääkkeiden mahdollisia hyötyjä tai sivuvaikutuksia.
Voidakseen saada neurotieteen tohtorin, opiskelijan on yleensä suoritettava paljon itsenäistä tutkimusta. Tulokset kerätään ja järjestetään väitöskirjan muodossa, joka esitetään professoreista, yliopistojen ylläpitäjistä ja harjoittavista neurotieteen asiantuntijoista koostuvalle paneelille. Väitöskirjan onnistuneen esittelyn ja neurotieteen ohjelman valmistuttuaan henkilö voi alkaa hakea tutkijatohtorin apurahoja yksityisissä laboratorioissa, yliopistoissa ja lääkeyhtiöissä.