实验室获批于2002年，由韩济生院士牵头组织。定位于应用基础研究。形成了以下稳定的四个研究方向：

(1) 疼痛与镇痛：疼痛尤其是慢性痛，表现为感觉、情绪障碍和痛记忆，临床上常见而难以处理。实验室从外周神经到中枢神经的角度，全面阐述急、慢性疼痛发生发展的外周神经离子通道与受体机制及中枢神经网络机制，以期发现新的镇痛靶点与镇痛方法。

(2) 药物依赖与防治：毒品与药物成瘾是日趋严重的生物医学与社会问题。实验室从病理性学习记忆神经网络的角度，探讨顽固性成瘾记忆形成、巩固和唤起的关键脑区和分子机制。此外，实验室还建立了亚洲最大的物质成瘾数据库，可开展大规模全基因组关联研究，筛选多种物质成瘾的易感基因。这些研究旨在发现清除成瘾记忆的特异性靶点，开发用于多种物质成瘾的干预方法，防治复吸并推动临床戒毒研究。

(3) 神经系统发育、损伤与重大疾病：围绕神经损伤与修复的细胞分子与病理性记忆的神经网络机制，探讨临床防治的新策略。发现神经系统遗传发育性疾病的易感基因，探索儿童孤独症发病的环境及母子易感因素，对孤独症儿童社会交往行为分型、测评量表以及磁共振数据分析方法。针对肌萎缩侧索硬化症进行致病/风险基因的突变筛查和分子流行病学特征研究，成为我国神经遗传疾病及自身免疫疾病的特色研究中心。

(4) 针刺的神经生物学机制：这是实验室继承上世纪以来的传统研究方向，深入探讨针刺治疗疼痛尤其是慢性疼痛的作用及其调控中枢网络的机制，具有国际声誉。

2016-2020年，实验室承担国家级及省部级等科研项目111项，合同金额共计1.92亿元，到位经费1.01亿元。实验室在国际高水平学术期刊发表SCI论文329篇。主编英文论著3部，中文论著5部，参编论著5部，译著1部。实验室牵头制定并发表疾病诊治的“专家共识”4项。申请专利21项，授权发明专利12项。

实验室固定人员51人，具有博士学位41人（占80%）。其中包括院士2人、国家杰出青年基金获得者3人、教育部“长江学者”特聘教授2人、中组部“千人计划”项目获得者1人、中组部“青年千人计划”项目获得者1人、中组部“万人计划”青年拔尖人才2人、国家优秀青年基金获得者1人、教育部新世纪优秀人次计划4人，形成了稳定的高水平学术团队。

实验室是国家神经生物学重点学科的重要支持平台，促进了学科发展和人才培养。2016-2020年实验室承担了医学部本科生课程2470学时，研究生课时1266学时。实验室研究生获得北京市优秀毕业生8人和北京大学优秀博士学位论文5人。依托实验室的科研力量，实验室还成为基础医学院本科生毕业实习和创新人才培养项目的重要基地。2016-2020年共接受约150余名本科生参加本实验室的创新人才计划，以第一作者身份发表SCI论文和中文期刊论文18篇、参与发表6篇，并获北京市普通高校优秀本科毕业设计1人，全国大学生基础医学创新论坛暨实验设计大赛一等奖1项，校级大学生创新实验项目一等奖1项，二等奖1项。