Лаборатория была создана в 1986 году проф., д.м.н. М.О. Самойловым, однако она берет свое начало от лаборатории биохимии нервной системы, образованной в 1948 г. одним из выдающихся советских биохимиков — академиком АМН СССР проф. Г.Е. Владимировым. В руководимой им лаборатории получили широкое развитие исследования в области функциональной нейрохимии – раздела биохимии, посвященного изучению связей между динамикой функционального состояния различных отделов нервной системы и протекающими в них метаболическими процессами. Особый интерес Г.Е. Владимирова вызывали вопросы влияния гипобарической гипоксии, как естественной, так и имитируемой в барокамере, на биохимические и метаболические процессы в организме человека и животных, а также на устойчивость к экстремальным факторам. В 1967г. лаборатория, возглавляемая тогда проф. Н.Н. Деминым, была переименована и стала лабораторией функциональной нейрохимии. Под руководством Н.Н. Демина были продолжены исследования в области изучения взаимоотношений между нейрохимическими процессами и функциональным состоянием нервных структур. Новым направлением было исследование нейрохимических основ сна и его нарушений. Изучались эволюционные аспекты проблемы сна, разрабатывались пути фармакологической профилактики биохимических нарушений при длительном вынужденном бодрствовании.
В 1974-1983 гг. особое место в работах лаборатории занимали систематические исследования нейрохимических показателей состояния головного мозга животных в условиях гипоксии и гипокинезии, а также подвергнутых действию факторов космических полетов в искусственных спутниках Земли серии “Космос”. В период 1983-1991 гг. под руководством д.б.н. Тарановой Н.П. в лаборатории были продолжены исследования комплекса нейрохимических показателей состояния мембранных структур и рецепторных свойств нейрональных мембран на экспериментальных моделях экстремальных состояний. В период 1991-1998гг. лабораторию возглавлял д.б.н. Емельянов Н.А. Усилия коллектива в этот период были сосредоточены на исследовании в ткани пириформной коры молекулярных механизмов обучения и некоторых видов памяти на модели долговременной потенциации.
В 1955 году из лаборатории биохимии нервной системы была выделена лаборатория радиобиологии (позднее переименованная в лабораторию регуляции метаболизма мозга), которую возглавил сотрудник Г.Е. Владимирова Д.А. Четвериков. Тематика была направлена на исследование регуляции метаболизма в нервной ткани при различных изменениях функционального состояния нервной системы, вызванных воздействиями разнообразных физиологических и патологических факторов. Основным направлением стало исследование метаболизма отдельных компонентов фосфолипидов мозга при острой лучевой болезни и, в продолжение исследований Г.Е. Владимирова, действии различных форм гипоксии. Раскрытие функциональной роли отдельных компонентов системы фосфолипидов привело к пониманию особой роли фосфоинозитидов в клетках. В 1980 году лабораторию возглавила Светлана Владимировна Гастева, были продолжены исследования нейрохимических коррелятов различных функциональных состояний мозга в норме и при экстремальных воздействиях (стресс, гипоксия, радиация и др.). В 1986 г. сотрудники лаборатории регуляции метаболизма мозга влились в новую лабораторию – лабораторию регуляции функций нейронов мозга, а в 1998 г. в результате реорганизации произошло присоединение лаборатории функциональной нейрохимии. С 2017 г. лабораторией регуляции функций нейронов мозга заведует д.б.н., профессор РАН Е.А. Рыбникова, при этом все традиционные для коллектива направления исследований сохранились и получили дальнейшее развитие.