Нервные волокна были описаны еще в конце XVIII века, нервные клетки — сравнительно недавно, лет за пятьдесят до описываемой поры. В деталях рассмотреть их строение позволили достигшие к тому времени значительного совершенства микроскопы. А успехи химии дали в руки ученых методы фиксации и окраски нервной ткани, обеспечивающие тонкую дифференциацию ее структур. Тогда же было установлено, что нервные волокна являются отростками нервных клеток, а среди отростков каждой из них можно выделить один маловетвящийся, обычно наиболее длинный — аксон или нейрит, тогда как другие отростки — дендриты — имеют меньшую длину и большее число ветвлений. К началу 80-х годов специалисты утвердились во мнении, что нервные клетки и их отростки составляют не бесконечную сеть, а являются элементарными единицами нервной ткани. Нервная клетка со всеми своими отростками получила название неврона или нейрона. Нейронная теория строения нервной ткани была создана в 1881 году немецким неврологом Вальдейером, а несколько позже испанский нейрогистолог Рамон-и-Кахаль сформулировал очень важный для понимания принципов деятельности нервной системы закон динамической поляризации нервной ткани, согласно которому нервные сигналы (импульсы) движутся по неврону, как правило, в одном направлении: дендрит — тело клетки — аксон. Зона контакта аксона с дендритом или телом последующей нервной клетки английский нейрофизиолог Шеррингтон назвал синапсом («застежкой»). Цепи невронов, проводящие нервные импульсы в одном направлении и имеющие идентичное функциональное значение, составляют проводящие пути. — Входящие в их состав аксоны, имеющие большую протяженность, группируются в пучки, каждый из которых занимает в спинном и головном мозге строго определенное положение.
Когда Бехтерев возглавил кафедру, изучение тонкого строения мозга активно велось многими неврологами разных стран мира. Бехтерев принял в этой работе самое активное участие. Уже в 1885 году он описал одно из важнейших клеточных скоплений в стволе мозга, входящее в состав вестибулярной системы. Оно получило впоследствии название вестибулярного ядра Бехтерева.
Особое внимание Бехтерев уделял изучению проводящих путей. Это давало возможность выявлять взаимосвязь различных отделов мозга и судить об их функциональной значимости. Знание же функций отдельных структур мозга давало возможность по выявленному у больных функциональному расстройству судить о том, какие структуры их мозга поражены патологическим процессом. Многочисленные морфологические исследования, а также углубленное изучение накопившихся в литературе сведений по нейроморфологии позволили Бехтереву в 1892 году опубликовать в «Ученых записках Казанского университета» большую работу «Проводящие пути мозга», которая через год вышла в свет в виде монографии, вскоре переизданной на немецком языке.
Много внимания уделяя морфологическим исследованиям, Бехтерев продолжал и изучение физиологии в направлении, начатом трудами Николая Осиповича Ковалевского. С именем Ковалевского связано развитие и укрепление в русском естествознании и прежде всего в психофизиологии материалистических воззрений. Являясь современником И. М. Сеченова, Ковалевский разделял его взгляды на психические процессы как на результат деятельности мозга. Речь Н. О. Ковалевского на торжественном акте Казанского университета в 1876 году «Как смотрит физиология на жизнь вообще и психическую в особенности», направленная против идеализма и метафизики, стала значительной страницей в истории материалистического естествознания. Заведующий кафедрой физиологии Петербургского университета H. E. Введенский в 1906 году писал, что Сеченов «является у нас в области физиологии… новатором, и вслед за ним можно поставить разве только имя казанского профессора физиологии Н. О. Ковалевского». Высокую оценку деятельности Ковалевского давал и И. И. Мечников. На кафедре Ковалевского была хорошо оборудованная физиологическая лаборатория, основанная в 1858 году его учителем известным русским физиологом Филиппом Васильевичем Овсянниковым, к тому времени работавшим в столице в Российской Академии наук. В этой лаборатории совместно с одним из ближайших сотрудников Ковалевского, Николаем Александровичем Миславским, Бехтерев смог провести целую серию экспериментов, в ходе которых изучалось влияние отдельных территорий коры больших полушарий на функции различных органов и систем подопытных животных.