感覺神經科學探討物理和化學刺激如何被轉導、編碼和處理成知覺經驗，是系統神經科學的核心領域。每一種感覺模態的研究都涉及從受體分子生物學到皮質計算的多層次分析。
視覺系統的分子與迴路機制
光感受器中的視色素（visual pigments）由 opsin 蛋白和 11-cis-retinal 組成。光子吸收導致 retinal 從 11-cis 異構化為 all-trans，觸發 opsin 構象變化→活化轉導素（transducin, Gₜ）→活化 PDE（磷酸二酯酶）→降解 cGMP→CNG 通道關閉→細胞膜超極化→減少麩胺酸釋放。這一光轉導級聯（phototransduction cascade）的闡明涉及 Wald（1967 年諾貝爾獎，retinal 的化學）和 Hubel & Wiesel（1981 年諾貝爾獎，視覺皮質的特徵偵測）。
視網膜不只是感光層，而是一個精密的神經計算電路。Dowling 的經典研究揭示了視網膜的五層神經元：光感受器→水平細胞→雙極細胞→無軸突細胞→節細胞。節細胞有 >30 種亞型（Baden et al., 2016, Nature），每種編碼不同的視覺特徵（運動方向、邊緣、顏色對比等）。內在光敏性視網膜節細胞（ipRGCs，含 melanopsin）不參與影像視覺，而是投射至視交叉上核（SCN）調節晝夜節律（Berson et al., 2002）。
初級視覺皮質（V1）以方位選擇性（orientation selectivity）柱狀和眼優勢（ocular dominance）柱狀排列。Hubel & Wiesel 的經典電生理研究定義了簡單細胞（simple cells，線性加總模型）和複雜細胞（complex cells，位置不變的方位偵測）的層級處理。視覺處理沿兩條平行通路（dorsal/ventral stream, Mishkin & Ungerleider, 1982）進行：腹側通路（what pathway，物體辨識）和背側通路（where pathway，空間位置和運動）。
聽覺系統的頻率分析
耳蝸的 tonotopic organization 基於基底膜的力學特性：von Békésy（1961 年諾貝爾獎）發現基底膜的行波（travelling wave）在特定位置達到峰值。然而被動力學只能提供 ~0.5 octave 的頻率選擇性。外毛細胞（outer hair cells, OHCs）的電致運動性（electromotility，由 prestin 蛋白介導——Zheng et al., 2000, Nature）提供了耳蝸放大器（cochlear amplifier）的機制：OHCs 感應聲波引起的基底膜振動→改變細胞長度→增強局部振動→提高內毛細胞（inner hair cells, IHCs）的敏感度和頻率選擇性，將選擇性提升至 ~0.1 octave。
毛細胞的機械轉導通道位於 stereocilia 的頂端，由 tip links（主要成分為 CDH23 和 PCDH15）連接相鄰纖毛。纖毛朝高側偏轉→tip links 拉開通道→K⁺ 和 Ca²⁺ 從高[K⁺]的內淋巴流入→去極化。TMC1 和 TMC2 被認為是機械轉導通道的核心成分（Kawashima et al., 2011; Pan et al., 2018）。
嗅覺系統的組合編碼
嗅覺受體基因家族（~400 個功能基因，人類；~1,000 個，小鼠）是哺乳動物最大的基因家族。Linda Buck 和 Richard Axel（2004 年諾貝爾獎）揭示了嗅覺系統的組織原則：（1）每個嗅覺受體神經元只表現一種受體基因（one neuron-one receptor rule）；（2）表現相同受體的神經元匯聚投射到嗅球上相同的嗅覺糸球（glomerulus）；（3）每種氣味激活獨特的受體組合（combinatorial coding），因此 ~400 種受體可辨識上萬種氣味。
嗅覺系統的獨特之處在於其直接投射至邊緣系統（梨狀皮質、杏仁核和內嗅皮質），不經過視丘中繼——這可能解釋了氣味引發強烈情感記憶的 Proust 現象。
體感覺的分子機制
David Julius 和 Ardem Patapoutian（2021 年諾貝爾生理醫學獎）因發現溫度和觸覺受體而獲獎。Julius 團隊利用辣椒素作為探針，克隆了 TRPV1——一種在 >43°C 或辣椒素下開啟的離子通道，解釋了「辣」不是一種味道而是一種痛覺/溫覺。Patapoutian 團隊透過系統性 siRNA 篩選發現了 Piezo1 和 Piezo2——機械門控離子通道，分別介導血壓調節和觸覺/本體感覺。Piezo2 的突變導致罕見的觸覺和本體感覺喪失（Chesler et al., 2016, NEJM）。
TRP 離子通道家族構成了一組「分子溫度計」，涵蓋從有害冷到有害熱的完整溫度範圍：TRPA1（<17°C, 芥末/wasabi）→ TRPM8（<25°C, 薄荷醇）→ TRPV4（27-35°C）→ TRPV3（33-39°C）→ TRPV1（>43°C, 辣椒素）→ TRPV2（>52°C）。
感覺系統的共同計算原則
跨感覺模態的共同原則包括：（1）拓撲映射（topographic maps）——視覺的 retinotopy、聽覺的 tonotopy、體感的 somatotopy；（2）側向抑制（lateral inhibition）增強邊緣對比；（3）感覺適應從受體層（如光適應中 recoverin 調節 rhodopsin kinase）到皮質層（如 repetition suppression）多層級實現；（4）多感覺整合（multisensory integration）在頂葉和上丘等區域發生，遵循 inverse effectiveness principle——弱刺激的跨模態增強效果最大（Stein & Meredith, 1993）。
預測編碼框架（predictive coding, Rao & Ballard, 1999）提出大腦持續生成對感覺輸入的預測，只有預測誤差（prediction error）被向上傳遞——這一框架統一解釋了感覺適應、注意力調控和知覺錯覺等現象。