Gli studi sulla struttura intracellulare dei neuroni sono proseguiti di pari passo con l'evoluzione della biologia cellulare, facendone propri i metodi (con i sistemi biomolecolari, biochimici, elettrofisiologici e del microscopio elettronico) e le basi teoriche della genetica. La neurobiologia molecolare esamina la struttura interna del neurone (la membrana, gli organelli interni, il nucleo) e l'organizzazione funzionale, come mostrato da Sheperd8.
La costituzione interna del neurone è caratteristicamente identica a quella di tutti gli altri tipi di cellule: è visibile una membrana cellulare (organizzata in due contrapposti strati di molecole fosfolipidiche), un nucleo (che racchiude l'informazione genetica costituita da cromosomi), un nucleolo (dove viene prodotto l'RNA ribosomale), il citoplasma (che contiene lisosomi, ribosomi, mitocondri, il complesso di Golgi, il reticolo endoplasmatico liscio e ruvido).
La complicata morfologia del neurone è rappresentata da tre elementi:
Laddove il corpo cellulare ha una costituzione compatta, i dendriti e gli assoni al contrario mostrano una struttura molto allungata e ramificata.
Il microscopio elettronico ha messo in evidenza che la costituzione dei dendriti prossimali (larghi dendriti vicini al soma) è simile a quello del citosol cellulare, confermando l'ipotesi secondo la quale i dendriti (e gli assoni) formano semplicemente estensioni del resto del corpo cellulare e non sono come i flagelli e le ciglia organelli distinti.
Ciò nonostante con l'aumentare della lunghezza dei dendriti (ergo con maggior distanza dal soma e calo del diametro dendritico) tale costituzione varia, la densità degli organelli si abbassa e predomina la presenza di una forma cellulare specializzata (costante ed assai strutturata): il citoscheletro. Se il neurone detenesse solamente organelli citoplasmatici, non ci sarebbe la capacità di evolvere e conservare una struttura morfologica così complicata e stabile, indispensabile per le sue funzioni neuroelettrofisiologiche e neurochimiche.
Il citoscheletro è un complicato reticolo di proteine fibrose all'interno del neurone, situato in particolare nei dendriti e nell'assone, esso svolge la funzione di rinforzo della struttura ed è costituito da tre varietà di proteine:
I microtubuli formano lunghe catene tubolari di 25 nm di diametro, collocati longitudinalmente nell'assone e nei dendriti. Riescono a raggiungere lunghezze di diversi millimetri e sono a circa 80-200 nm gli uni dagli altri.
I neurofilamenti sono collocati in fascicoli longitudinali (rispetto allo sviluppo assonico) il diametro medio è di circa 10 nm connessi da vincoli incrociati che sostengono meccanicamente l'assone e ne impediscono la rottura. Sono formati da lunghissime catene di aminoacidi dall'aspetto di bastoncelli.
I microfilamenti sono formati da filamenti di actina (1 nm di diametro) che costituiscono una stretta orditura disposta vicino alla membrana cellulare di tutto il neurone.
