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同样在1959年，美国国立精神健康研究所的西摩·凯蒂（Seymour Kety）在《科学》杂志上发表了一篇重磅文章。文章分为两部分，内容是有关精神分裂症的生化理论。[21] 凯蒂向他的读者指出，“精神分裂症”这个标签可能会掩盖许多深层的问题（这至今仍然是一个难题），他随后审视了包括狂乱素在内的各种可能的病因的证据，但重点关注了5—羟色胺可能扮演的角色。他指出，关键的困境在于“5—羟色胺在中枢神经功能中的作用仍然模糊不清”。[22] 如果科学家根本就不明白脑中的化学物质的基本功能，那么当这些物质出问题时，他们就无法解释究竟发生了什么。我们需要新的概念来解释脑中化学成分的复杂性，而这种复杂性正在逐渐显露出真面目。
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药理学史上这个幸运与创造性迸发的惊人时期正好与1952年“汤与火花之战”的终结相重合。同样是在这一年，霍奇金和赫胥黎发现了动作电位是如何在神经元中传播的。科学家们正逐渐接受从化学的角度来看待神经系统的功能，但仍然有两个重大难题有待解答：信号传递物质究竟是如何工作的？脑中究竟发生了什么？所有关于“汤与火花”的激烈争论一直都围绕在外周神经元的水平上，通常聚焦在自主神经系统中，没人能确定同样的原理是否也适用于中枢神经系统。脑与外周神经系统以相同的方式运作，都使用神经递质，这些事实在今天的我们看来显而易见，但在20世纪五六十年代却并不明确。就连“神经递质”这个词也是直到1961年才被创造出来的，用于把各种化合物划归为一个共同的功能类别。[23]
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阿尔维德·卡尔森（Arvid Carlsson）因其对多巴胺的研究于2000年获得了诺贝尔生理学或医学奖，他曾表示，在20世纪60年代初，脑中可能存在神经递质的说法遭到了相当多的质疑。[24] 即使过了几年，当这个想法看起来不那么古怪的时候，仍然缺乏决定性的证据。1964年，剑桥大学药理学教授阿诺德·伯根（Arnold Burgen）在《自然》杂志上发文抱怨说，科学界对突触内究竟在发生什么仍然缺乏理解：
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除了乙酰胆碱外，我们没能在哺乳动物神经系统中阐明任何其他化学递质的本质，这对于所有对突触生理学感兴趣的人来说，无疑是更大的失望……虽然我们付出了相当大的努力，但无论是对初级感觉传入纤维的化学递质，还是对脊髓突触前和突触后抑制系统，我们都仍然一无所知，更不用提神经系统的其他区域了。[25]
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在接下来的10年间，科学研究揭示了脑中神经递质的精确功能模式，伯根的失望也很快得以消解。科学家们发现了一系列令人眼花缭乱的物质，主要分为三大类——氨基酸（如γ—氨基丁酸，简称GABA）、肽类（如催产素和加压素）和单胺类（去甲肾上腺素、多巴胺和5—羟色胺），以及第一个被发现的神经递质——乙酰胆碱。其中更令人惊讶的发现是，一些神经元能够产生一种气体——一氧化氮，它能穿透组织进行扩散，改变神经元的活动。[26] 我们至今仍未彻底搞清楚所有的神经递质：根据资深神经递质专家所罗门·施耐德（Solomon Snyder）的说法，脑中可能有多达200种不同的肽类物质扮演着神经递质的角色。[27]
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研究人员使用荧光或放射性技术获得图像，显示出这些递质，这是令科学家们相信这些新的神经递质真的存在的一个关键因素。让—克洛德·杜邦甚至声称：“是组织化学而不是药理学和电生理学，最终让科学界接受了脑中胺类介导的神经传递。”[28] 在研究人员于20世纪50年代获得第一张突触的电子显微镜照片后，伯纳德·卡茨发现，突触前神经元中有一些微小的囊泡，在钙离子涌入神经元后（由动作电位引发），这些囊泡会把神经递质释放到突触中。研究人员发现一些神经递质——比如GABA——具有抑制性，这解决了困扰科学家们一个世纪的抑制的本质的问题。另一个明晰的发现是，一些神经元根本不使用神经递质，而是通过电突触（间隙连接）来发挥作用。1970年，对我们理解脑化学的革命做出贡献的三个主要人物——乌尔夫·冯·欧拉（Ulf von Euler）[29] 、朱利叶斯·阿克塞尔罗德（Julius Axelrod）和伯纳德·卡茨凭借他们的工作荣获诺贝尔生理学或医学奖。
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在神经递质的突触后反应中起作用的许多受体也很快被发现。研究发现，这些受体可以分为两种类型，一类导致动作电位的即时传播，而另一类则通过突触后神经元中的第二信使分子的级联反应引起更慢的反应。保罗·格林加德（Paul Greengard）以厄尔·萨瑟兰（Earl Sutherland）和埃德温·克雷布斯（Edwin Krebs）在20世纪60年代的研究工作为基础，对慢突触反应开展了研究，并与卡尔森和坎德尔共同获得了2000年的诺贝尔生理学或医学奖。[30] 这些领域的工作还没有彻底完成，比如，GABAA受体（安定的作用位点）的结构才刚刚被报道。[31]
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脑中丰富的化学物质甚至比这还要复杂，因为研究人员发现脑活动不仅涉及神经递质引发的神经冲动，而且还受到作用较慢的神经激素（neurohormone）的影响。神经激素的本质通常是肽（由氨基酸连接成的短链），它们被释放到血液或胞外间隙[32] 中，并在体内（尤其是在脑中）充当信号分子。有关神经激素的研究工作主要集中在下丘脑的作用上，爱丁堡大学的神经生理学家加雷斯·伦格（Gareth Leng）将其称为“脑之心”。[33] 20世纪六七十年代，研究人员发现，下丘脑及其产生的激素参与协调包括应激反应和繁殖行为在内的复杂的生理和行为反应。诺贝尔委员会把1977年的诺贝尔生理学或医学奖的一半授予了罗杰·吉耶曼（Roger Guillemin）和安德鲁·沙利（Andrew Schally），表彰他们发现了脑中与肽生成相关的机制。另一半被授予了罗莎琳·雅洛（Rosalyn Yalow），表彰她开发了用来追踪肽类激素的放射免疫分析技术。20世纪90年代，研究者发现了瘦素（leptin）和饥饿素（ghrelin）这两种神经肽，它们与进食行为和饱腹感有关。这些发现表明，神经激素能参与对基本生理过程的长时程控制，而这些生理过程中有许多都会影响行为。
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这些物质会对参与行为的脑环路产生影响。这些影响有的是暂时的，例如改变雌性大鼠对幼崽的反应，使她们叼回爬走的幼崽并为它们筑窝；有的影响则是永久的，例如通过子宫内的刺激塑造发育中的大鼠的脑，使其在未来表现出更多雄性行为。这些肽的分泌方式与神经递质的作用方式也有很大的不同。含有神经激素的囊泡可以出现在神经元的任何部分，而不仅仅是出现在突触处。它们在树突中特别常见，并且有助于反复刺激引发的神经系统不同部分的功能性重组。
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这方面的脑功能是极其复杂的，一些科学家认为，有超过100种不同的神经肽在脑的胞外间隙[34] 中扩散，而胞外间隙[35] 只占脑总容量的20%左右。[36] 这些分子以脉冲的形式大量释放（释放的数量远高于神经递质分子的释放数量），并且释放可以持续数天。每一个这样的系统都会受可以影响动物身体的内部和外部条件的影响，并且都有各自的反馈环路来控制其改变脑活动的方式。比较研究表明，这些网络可以追溯到进化上非常久远的时期，在寒武纪大爆发（大约5.3亿年前）后不久出现的第一批脊椎动物中就已经出现了。
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虽然这些神经激素的主要作用区域可以被识别出来，但它们究竟是如何改变脑的运行，进而引发明显的行为变化的，科学界目前仍然不清楚。例如，大鼠脑中对催产素敏感的神经元参与了进食、繁殖、社会行为和动物体内的钠平衡等各方面的控制。科学界仍然不清楚究竟是出于什么原因，一种神经激素会参与协调这么多复杂而又非常不同的行为。当冯·诺伊曼开始认真思考脑与计算机之间的相似性时，他认识到了这种复杂性。这种复杂性表明脑是一个复杂的并行处理器官。脑既使用近于数字化的神经传递，也使用模拟的神经传递，还通过神经激素进行持续的模拟传递，这样一来它就可以同时做不止一件事。
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1973年，施耐德小组的研究生坎迪斯·佩特（Candace Pert）描述了阿片受体，这是与神经肽相关的最有趣的发现之一。[37] 这些受体的存在有助于解释哺乳动物为什么会对阿片类药物如此感兴趣。研究由美国政府的一个项目资助，这个项目旨在应对很多城市的内城区以及越战参战士兵中出现的海洛因使用日益泛滥的问题。这又引发了另一个问题：为什么脑中会有这样的受体？既然有这样的受体，那么脑中一定有一些天然产生的类阿片物质可以与这些受体结合。1975年，阿伯丁大学的约翰·休斯（John Hughes）和汉斯·科斯特利茨（Hans Kosterlitz）在猪的脑中发现了两种具有阿片活性的肽，它们后来被称为内啡肽（endorphin）。[38] 几个月后，施耐德的研究小组在大鼠中也发现了这两种内啡肽，他们后来还在脑中与情绪反应有关的区域检测到了这些物质，从而解释了为什么阿片类药物能对精神产生影响。[39] 我们现在知道，这些内啡肽会在受伤和剧烈运动后产生，有助于引发“跑步后的愉悦感”（runner’s high）。
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1978年，施耐德、休斯和科斯特利茨因发现内啡肽获得了著名的拉斯克奖（Lasker Award）[40] 。佩特觉得自己的贡献被忽视了，对此公开表达了不满。这是可以理解的，因为她与施耐德对这个发现的贡献不相上下。在前一年的另一个重要奖项中，佩特的贡献也被忽视了，虽然这一奖项的评审团主席后来承认这是“一个重大的遗漏”，但没有采取任何后续措施。[41] 佩特的贡献从未得到正式承认。
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脑化学方面的所有这些发现，以及公众对阿尔茨海默病和帕金森病等疾病认识的不断增加（这是美国总统老布什宣布20世纪90年代为“脑的十年”产生的最重大影响之一），也催生了研究精神健康问题的新方法。[42] 这些发现产生的一个影响是，它们提示某些药物的成瘾性可能来自它们使神经元释放多巴胺的能力。20世纪90年代，剑桥大学的沃尔弗拉姆·舒尔茨（Wolfram Schultz）的一系列研究表明，动物体内的多巴胺能神经元[43] 网络与奖赏相关。现在我们知道，情况要复杂得多，这些神经元能够帮助衡量预测和实际情况之间的差异，还可以调节脑对厌恶性刺激的编码。[44] 如果一个预期的刺激（包括厌恶性刺激）没有发生，那么多巴胺能神经元就会参与把关于这一点的信号传递给动物的过程。[45] 这些神经元还能检测刺激和奖励或惩罚之间在时程上的联系，这种联系是学习[46] 的基础：识别出两个事件的先后顺序，并依据是奖励还是惩罚来加强或者抑制突触的活动。[47]
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1997年，美国国立卫生研究院的艾伦·莱什纳（Alan Leshner）在《科学》杂志上发表了一篇标题相当大胆的文章。在这篇题为《成瘾是一种脑疾病》（Addiction is a Brain Disease）的文章中，莱什纳声称“几乎所有会成瘾的药物都是直接或间接地作用于脑深处的同一个通路，产生的也是相同的效应”，他指的是多巴胺系统。[48] 通过以这种方式重新解读成瘾现象，莱什纳试图强调神经科学对理解精神健康问题的重要性，并为制定更有效的政策提供帮助——他认为如果成瘾是一种脑疾病，那么对于那些为了满足瘾头而犯罪的人，我们不应该在尝试治愈他们之前就直接把他们关起来。我们需要找到有效的治疗方法来解决根本问题，而莱什纳声称这些方法是生物化学的方法。
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这个假说逐渐变得越来越复杂，因为研究发现，尽管在酒精成瘾者中多巴胺水平有所增加，但并不是所有类型的成瘾都是如此。[49] 许多让人成瘾的毒品——如尼古丁、可卡因和苯丙胺——都能改变脑中同一个区域的多巴胺浓度，但它们的这种效应是通过作用于不同的神经元实现的，作用的途径和方式也有所不同。例如，阿片能抑制多巴胺系统，而苯二氮䓬类药物可以增强多巴胺能神经元的放电。[50][51] 尽管如此，美国顶尖的医生们仍然坚持认为，生化“脑疾病”模型不仅可以解释物质成瘾，而且还可以加以扩展，解释大众认定的其他成瘾现象，比如网络、食物和性成瘾。[52] 令人困惑的是，这个模型产生的主要影响出现在行为治疗和政策变化上，没有出现在研发药物的需求上（如果不同的成瘾现象有相同的生化基础，那么这些药物就可能对多种成瘾现象生效）。
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这些科学研究已经渗透到了流行文化中，大众现在普遍认为，从色情片到社交媒体，一切能导致成瘾的事物，其成瘾的原因都可以归结为我们脑中多巴胺系统的激活。2017年，脸书的创始人之一肖恩·帕克（已于2005年辞职）声称，他们故意把脸书的网站设计成能够让人上瘾的模式。他夸张地说：“我们……能给你来点儿多巴胺刺激”。[53] 这真是无稽之谈。虽然有一项研究报道声称，受试者（共8人）在玩电脑游戏时脑中有多巴胺释放，但这项研究与成瘾没有什么关系，也没有提供任何证据说明多巴胺释放与使用计算机之间有什么关联（研究的对照组是让受试者看一个没有播放影像的显示器，而不是别的什么动作，比如读一本书）。[54] 没有任何证据表明推特在影响你的多巴胺系统。据沃尔弗拉姆·舒尔茨说（他是这方面的专家，应该了解相关的情况），科学界甚至都还不清楚激活多巴胺能神经元是否会产生愉悦感。这种把所有成瘾行为都归因于多巴胺的观点，就是通常所说的神经学瞎扯的一个例子。尽管人们热衷于成瘾的多巴胺脑疾病模型，但似乎可以肯定的是，虽然不同的成瘾行为看起来——以及感觉上——像是一样的，但它们的背后或许有不同的机制。
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在探寻精神疾病和生理学之间的联系时，一个存在的问题是精神病学的诊断不是很精确。在美国，诊断的依据是《精神疾病诊断和统计手册》（Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders ，简称DSM），这本手册由美国精神病学学会出版，为精神疾病提供明确的定义。[55] 但手册中对精神疾病的描述一直都在变化，这些变化至少有一部分原因是社会层面的，因为精神健康与否界限的划分还受社会的影响。同性恋就是一个例子，20世纪80年代，在经过不断的抗争后，同性恋被从DSM中删除。在大多数情况下，精神健康问题的原因都很难用脑功能或者脑中的化学过程来解释。一个一定程度上的例外是阿尔茨海默病，这种病与异常形式的蛋白质的出现有关，这些蛋白质会破坏脑的结构。但即使是这种疾病，研究者也很难厘清成因、结果和促成因素到底是什么，更难以找到有效的治疗方案。对精神健康问题的根源以及治疗方法，我们的理解仍然很难令人满意。
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对5—羟色胺在抑郁症中作用的研究，是将药理学方法与精神疾病的生理学基础相结合的最著名尝试。当神经递质被释放到突触时，它们会与突触后细胞上的受体结合。在神经递质被突触前细胞重新吸收后，神经元的信号就会结束。这种“再摄取”（reuptake）的发现促使研究人员研发出了选择性5—羟色胺再摄取抑制剂（selective serotonin reuptake inhibitor，简称SSRI），通过抑制突触前细胞对5—羟色胺的摄取，这种药物可以提高突触中5—羟色胺的水平。这些药物据称能增加脑中的5—羟色胺水平，从而缓解抑郁症的症状。对于SSRI，大众更熟悉的是美国一款这类药物的商品名——百忧解（Prozac），这款药物是SSRI中最成功的一种。SSRI目前已成为全世界范围内被广泛使用的一类处方药物，许多患者认为这些药物极大地改善了他们的生活。