Il rapporto tra le neuroscienze e l'orientamento sessuale è divenuto oggetto di studio tra i ricercatori a partire da un periodo relativamente recente, l'ultimo decennio del XX secolo.

L'orientamento sessuale è un modello stabile di amore romantico e/o attrazione sessuale verso persone di sesso opposto, verso entrambi i sessi o verso lo stesso sesso.

Le cause e i meccanismi ultimi del suo sviluppo nella specie umana continuano ad essere in gran parte poco chiari e molti degli approcci teorici avanzati rimangono allo stadio meramente speculativo e non mancano di divenire oggetto di controversie tra gli esperti.

I passi avanti e i notevoli progressi compiuti dalle neuroscienze tuttavia cercano di spiegare ed illustrare anche le caratteristiche correlate all'orientamento sessuale individuale; gli studi e ricerche finora condotti hanno esplorato le variegate connessioni neurali strutturali, le relazioni funzionali e/o cognitive ed infine le teorie evolutive in relazione all'orientamento sessuale umano.

Neurobiologia dello sviluppo Molti degli approcci teorici riguardanti lo sviluppo dell'orientamento sessuale coinvolgono l'iniziale sviluppo neurale del feto, con i modelli proposti che illustrano l'esposizione agli ormoni prenatali, l'immunità materna e l'instabilità dello sviluppo psico-organico stesso. Altri dei fattori proposti includono il controllo dell'orientamento da parte dei geni.

Non sono in ogni caso venute alla luce né dimostrate proposte conclusive sul fatto che gli effetti esterni ambientali o comunque appresi a livello biologico siano gli esclusivi responsabili dell'orientamento non-eterosessuale.

Modello androgeno prenatale Il dimorfismo sessuale nel cervello e il comportamento tra i vertebrati sono spiegati dall'influenza degli androgeni steroidi emessi dalle gonadi, così come è stato dimostrato per diversi modelli animali negli ultimi decenni. Il modello prenatale degli "androgeni dell'omosessualità" vuole descrivere gli effetti neuro-evolutivi dell'esposizione fetale a questa classe di ormoni.

Già a metà degli anni 1980 i ricercatori Norman Geschwind e Albert Galaburda sottoposero all'attenzione dell'ambiente scientifico l'ipotesi Geschwind–Galaburda, secondo la quale gli uomini gay fossero stati esposti ad alte concentrazioni di androgeni nelle primissime fasi della gestazione, spiegando inoltre la loro tendenza ad essere più facilmente propensi al mancinismo, e per estensione a tutti quei tratti di non destrezza manile osservati all'interno di questo gruppo di popolazione.

Più di recente è stato invece sostenuto che soprattutto le variazioni temporali e locali nell'esposizione degli androgeni al cervello ancora in via di formazione di un feto sarebbe un fattore decisivo nei percorsi che in una fase più avanzata determinano o meno l'identità di genere nel suo complesso e l'omosessualità in particolare. Si è quindi passati alla ricerca dei "marcatori somatici" decisivi per l'esposizione ormonale prenatale la quale può venire esplorata facilmente e in una maniera del tutto non-invasiva in popolazioni altrimenti nella norma per quel che concerne l'endocrinologia.

Poiché tali marcatori sono noti per essere fortemente influenzati dagli ormoni sessuali prenatali, il dimostrare delle effettive variazioni in queste caratteristiche tra omosessuali ed eterosessuali può fornire una "finestra" nel neuro-sviluppo precoce dell'orientamento sotto l'influenza ormonale. Vari indicatori somatici (inclusi "2D:4D finger ratios", potenziali evocati uditivi, modello d'impronta digitale e schemi di battito di ciglia) sono stati rinvenuti a dimostrazione delle variazioni intercorrenti basati sull'orientamento in individui adulti sani.

Altre evidenze a sostegno del ruolo assunto dal testosterone e dagli ormoni prenatali comprendono osservazioni di soggetti maschi con la malattia congenita dell'estrofia cloacale i quali al momento della nascita sono stati assegnati al sesso femminile, ma che solo in seguito sono invece stati dichiarati essere dei maschi. Questo fatto supporta la teoria che l'aumentato dosaggio di testosterone prenatale risulta cruciale per lo sviluppo dell'identità di genere. Le donne inoltre - le cui madri sono rimaste esposte al Dietilstilbestrolo (DES) nel corso della gravidanza hanno mostrato tassi più elevati sia di bisessualità che di omosessualità.

2D:4D digit ratio Il miglior indicatore non invasivo dell'esposizione agli ormoni prenatali è il rapporto delle cifre tra il secondo e il quarto dito della mano (perciò detto per l'appunto digit ratio 2D: 4D)Okten et al. 2002, una misura nota di dimorfismo sessuale: i maschi mostrano rapporti decisamente inferiori rispetto alle femmine.

I pazienti con sovraesposizione agli androgeni (come ad esempio nell'iperplasia surrenale congenita) mostrano rapporti inferiori 2D:4D, il che fornisce l'evidenza la quale ricollega l'esposizione agli androgeni prenatali nella loro qualità di fattore chiave di questa caratteristica.

Individui XY con Sindrome da insensibilità agli androgeni a causa di un gene disfunzionale del recettore degli stessi - presente nelle identità di genere femminili e con un rapporto numerico femminile - esiste esattamente così come si potrebbe prevedere se gli ormoni androgeni influenzino nei fatti i rapporti numerici. Questa scoperta dimostra anche che il rapporto di differenziazione sessuale "in digit ratio" non è in realtà strettamente correlato al cromosoma Y di per sé.

È stato inoltre dimostrato che il rapporto "2D: 4D" viene influenzato dalla variazione del gene del recettore degli androgeni negli uomini. Il rapporto quindi tra testosterone ed estrogeno nell'Amnios è stato anch'esso trovato per essere correlato negativamente con il rapporto "2D: 4D".

Altri numerosi studi indipendenti indicano che le donne lesbiche hanno "digit ratio" mascolinizzati e che gli omosessuali nella generalità dei casi rivelano un rapporto che può essere a livello o ipo mascolinizzato o feminilizzato. Tali risultati paiono rafforzare il modello androgeno prenatale: che cioè l'esposizione non tipica dell'ormone è correlato al successivo sviluppo dell'omosessualità umana. Come già ricordato prima però, non ci sono dati scientifici definitivi sul tema, ulteriori ricerche individueranno se l'ipotesi del modello androgeno prenatale sia vero o meno.

Potenziali evocativi uditivi Gli studi condotti sull'elaborazione del sistema nervoso centrale della sensazione uditiva, ed i cui aspetti principali sono stati ricollegati all'esposizione degli androgeni prenatali, alla prova degli stimoli hanno dimostrato che le donne omosessuali hanno per lo più risposte mascolinizzate, mentre d'altra parte gli uomini gay hanno risposte iper-mascolinizzate.

Effetto sull'ordine di nascita fraterno

Gli studi finora condotti dimostrano che gli uomini gay hanno un numero percentuale più alto di fratelli maggiori se raffrontati con gli eterosessuali, almeno secondo l'esperto di sessuologia Ray Blanchard. Questa considerazione ha portato alla scoperta dell'effetto dell'ordine di nascita fraterno, secondo il quale più si hanno fratelli maggiori (dalla stessa madre) e più alta è la possibilità di esternare un cosciente orientamento omosessuale divenuti adulti.

Le stime indicano che esiste un aumento di circa il 33% nella probabilità di omosessualità in un bambino maschio con un fratello maggiore. Tale effetto risulta essere vero solamente per i fratelli biologici; mentre le probabilità di omosessualità maschile non sono aumentate dal numero di fratellastri più anziani o di fratelli adottati. Si stima che 1/7 di tutti i maschi omosessuali deve il proprio orientamento sessuale all'effetto dell'ordine di nascita fraterno.

L'effetto si applica solamente ai maschi omosessuali destrimani; non aumenta invece la probabilità di omosessualità nei maschi mancini o ambidestri.

Dato che l'effetto ha una risultanza contingente sulla manualità e che questa corrisponde ad un tratto prenatale determinato, l'effetto dell'ordine di nascita viene interpretato per essere di natura biologica piuttosto che psicosociale; esistente quindi in natura e noto per operare nel periodo prenatale.

Nella biologia umana la manualità rappresenta una prestazione migliore, più veloce o più precisa o una preferenza individuale per l'uso di una mano, conosciuta come la mano dominante; la mano meno capace o meno preferita è chiamata la mano non dominanteHolder, M.K. What does Handedness have to do with Brain Lateralization (and who cares?). Retrieved 11 August 2012.. ("Nondominant" is one of 945 words listed under "non-"). L'uomo ha maggiori probabilità di esprimere una sinistra fortemente dominante rispetto alla donna; si stima che tra il 70 e il 95% della popolazione mondiale sia destrorsa.

L'esatto meccanismo biologico con cui l'effetto opera nel corso della vita fetale non è in ogni caso confermato con una certezza al di sopra di ogni dubbio. Il meccanismo proposto mediante il quale si ritiene che l'effetto funzioni afferma che una madre sviluppa una risposta immunitaria contro una sostanza importante nello sviluppo fetale maschile durante la gravidanza e che un tal effetto immunitario diviene sempre più probabile con ogni feto maschile successivo.

Si ritiene pertanto che l'effetto immunitario provochi un'alterazione nello sviluppo del cervello prenatale dei maschi, con una diretta crescita statistica per ogni gestazione di un figlio maschio. L'obiettivo della risposta immunitaria può essere molecolare (cioè proteine collegate al cromosoma Y) a livello della superficie delle cellule cerebrali fetali maschili, compresi i siti ove si localizzano l'ipotalamo anteriore il quale è stato ricollegato all'orientamento sessuale in altre ricerche.

Si tende a pensare che gli anticorpi prodotti durante la risposta immunitaria attraversino la barriera rappresentata dalla placenta ed entrino nel compartimento fetale là ove si legano alle molecole Y, venendo ad alterare quindi il loro ruolo nella differenziazione sessuale e portando alcuni maschi nati più tardi a provare una più forte attrazione nei confronti degli uomini rispetto che alle donne.

Il meccanismo proposto continua a possedere solamente delle prove indirette a proprio sostegno; si tratta anche dell'unico meccanismo plausibile finora proposto dalla comunità scientifica per spiegare come e in che modo l'effetto dell'ordine di nascita fraterno possa operare in utero. L'effetto non si applica allo sviluppo dell'omosessualità femminile.

Instabilità evolutiva e preferenza manuale L'instabilità evolutiva si riferisce al grado di vulnerabilità di un organismo agli stress sia ambientali che genetici durante il periodo del proprio sviluppo; le misurazione di una tale instabilità possono fornire alcune informazioni sull'intera storia evolutiva dell'organismo stesso.

L'asimmetria nelle caratteristiche bilaterali corporee, nota come asimmetria fluttuante, viene spesso utilizzata nella ricerca scientifica in qualità di misurazione sostitutiva dell'instabilità evolutiva; si propende anche a considerare che la costante non-destra (ossia una predisposizione ad un maggior sviluppo del lato sinistro del corpo umano) costituisca una delle misure che definiscono la stessa instabilità dello sviluppo.

Le probabilità di essere caratterizzati da mancinismo hanno la possibilità di essere accresciute nelle popolazioni omosessuali. In confronto con un campione di base eterosessuale una meta-analisi condotta nel 2000 da Lalumiere e altri su tutta una serie di precedenti studi ha dimostrato che gli uomini gay hanno all'incirca un terzo (il 34%) di probabilità maggiore di essere non-destrimani, mentre per le donne lesbiche la percentuale diventa quasi doppia (fino al 91% di probabilità maggiore di esserlo in alcuni casi).