性取向是一个复杂的人类特性，由多种因素共同决定，包括生物学、环境和个人经历。科学研究表明，性取向并非是个人选择的结果，也不是单一因素导致的。
生物学与性取向的关系是一个研究课题。虽然科学家不知道性取向形成的确切原因，但现行的理论认为，遗传、激素与社会因素共同决定一个体的性取向。产后社会环境对性取向的影响较低，特别是对于男性。
解释性取向原因的生物学理论受到科学家的青睐。这些理论涉及到遗传因素、早期子宫环境和大脑结构复杂相互作用。与异性恋、同性恋、双性恋或者无性恋形成的有关因素包括基因，产前激素，和大脑结构。
根据2019年 Science 杂志上发表的论文，同性性行为不受单一基因影响，而是受许多基因影响，但是，即使将这些遗传因素综合起来，也最多只能解释25%的同性性行为，这也说明了人类的性行为受遗传和环境因素的复杂影响。
之前有研究提出了与性取向有关的大脑差异，然而，关于性取向的神经生物学关联以及遗传因素与大脑结构变异之间的关系仍未得到很好的研究。
通过对异性恋男性8432人，异性恋女性9488人，非异性恋男性393人，非异性恋女性332人的磁共振成像（MRI）和遗传数据分析。研究团队发现，同性恋者的大脑与非同性恋者的大脑存在差异，在同性恋者中，男同性恋者与女同性恋者的大脑区分变得模糊，它们都在向异性转变。
根据有同性性行为的报告判断，同性恋者的男性或女性的某些大脑结构，会向异性转变，即发生所谓的跨性别转变。这些差异主要发生在涉及感觉（包括视觉）信息处理的大脑区域。
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