Лаборатория создана в 1950 г. чл.-корр. АН и АМН СССР Н. Г. Колосовым. Наряду с лабораториями проф. Б. И. Лаврентьева и проф. Б. А. Долго-Сабурева она стала ведущей нейроморфологической лабораторией страны. Здесь впервые была заложена гистологическая база, подтвердившая учение академика И. П. Павлова об интерорецепции внутренних органов. Выявлены и изучены тканевые рецепторы всех органов и показаны источники их иннервации. Получены новые доказательства нейронной теории, описано тончайшее строение перицеллюлярных и перикапсулярных окончаний на вегетативных нейронах, проведены первые сопоставления картин классической нейрогистологии и электронной микроскопии. Серебрённые препараты, изготовленные сотрудниками школы Н. Г. Колосова, и сейчас рассматриваются как уникальные. Они составляют ценнейший «серебряный фонд» нейробиологии. Позднее по предложению академика К. М. Быкова в лаборатории были начаты прижизненные исследования нервной системы.

В 1972 г. лабораторию возглавил проф. В. Н. Майоров, который развернул полномасштабные морфоэлектрофизиологические исследования живых нейронов автономной нервной системы с использованием киноаппаратуры. Произошло полное техническое переоснащение лаборатории. Появились установки для одновременного микроскопического и микроэлектродного исследования, контактная оптика, инвертированные микроскопы. Впервые начаты подробные прижизненные исследования внутриорганных рецепторов и изменений тончайших перицеллюлярных синаптических аппаратов in situ , выявлены критерии, которые позволили дифференцировать обратимые и необратимые изменения живых нервных структур. Дана характеристика окислительного и дыхательного метаболизма живых нейронов.

С 1990 г. лабораторией руководит проф. О. С. Сотников. Были продолжены прижизненные исследования миелиновых и безмиелиновых нервных волокон, синапсов и рецепторов. Обобщение результатов изучения «спонтанной» изменчивости всех структур нейрона позволило сформулировать представление о кинетике структур живого нейрона, которое логично дополнило данные предыдущих исследований сотрудников Н. Г. Колосова о статике фиксированного нейрона и нервной системы в целом. Используя фазово-контрастную, аноптральную, интерференционную микроскопию и методику фиксации потенциала, лаборатория смогла провести параллели между структурными изменениями нейронов и волокон и колебаниями их биофизических характеристик.

Лаборатория одной из первых приступила к прижизненным исследованиям культуры нервной ткани. В результате были получены новые данные и сформулировано представление о неэлектрических функциях нейрона. Используя морфогенетическую функцию нейрона и различные факторы роста, сотрудники лаборатории впервые вырастили в культуре и исследовали электрофизиологически искусственный механорецептор. Затем в культуре ткани были воспроизведены некоторые этапы нейроонтогенеза. С помощью изолированных нейронов моллюсков в культуре удалось воспроизвести все известные стадии эволюционного морфогенеза простых нервных систем беспозвоночных и сформулировать дополнение к основному биогенетическому закону Геккеля–Мюллера – морфогенез плексусно-ганглионарных систем нейронов в культуре ткани представляет собой быстрое и упрощенное повторение эволюции простых нервных систем. Таким образом, создано новое направление в морфологии, позволившее перейти от общепринятой в настоящее время описательной нейроморфологии – к созидательной (конструктивистской) нейроморфологии. В настоящее время лаборатория является единственной в стране, где удалось сохранить направление прижизненной морфоэлектрофизиологии и биологического моделирования нервной системы.