神经科学研究所由中国工程院王忠诚院士担任所长。该研究所由神经创伤外科、神经血管外科、神经肿瘤外科等组成。

神经血管外科学是神经外科学的分支，是在神经外科学、神经影像学、介入神经放射学等基础上发展形成的前沿学科。针对脑与脊髓血管疾病，其治疗技术手段包括传统的开颅（椎管）手术及新兴的血管内介入治疗，后者是在X线的监视下对中枢神经系统血管疾病进行直接治疗，其特点是不开刀，创伤小，安全，疗效好。神经血管外科是由神经外科医师、神经影像医师、神经介入医师组成的综合团队，是针对神经血管疾病的最新的治疗团队组织模式。

神经血管外科收治的病人涵盖需要神经外科治疗特别是神经血管疾病外科治疗的病人群体，北京天坛医院神经介入科主任、副主任及具有业务职称的医师同时在总医院神经血管外科担任相当行政或业务职务。神经血管外科的血管内介入治疗疾病主要包括颅内动脉瘤、脑（脊髓）血管畸形、硬脑膜动静脉瘘、颈动脉海绵窦瘘及缺血性脑血管病等，治疗技术居国际领先水平；神经血管外科的开颅手术由王忠诚院士安排北京天坛医院神经外科中心的专家担任术者，治疗范围包括各种神经系统肿瘤、血管病的手术治疗、脊髓脊柱疾病、脑积水、蛛网膜囊肿、外周神经病变、脑瘫和脑出血、脑外伤后肢体痉挛状态的手术治疗。