解析大腦的結構在現代計算機出現之前就開始了。神經科學的百年歷史，就是一首解析大腦的壯歌。1906年，諾貝爾生理學或醫學獎授予「研究神經系統結構」的卡米洛·高爾基（Camilo Golgi，1843-1926）和聖地牙哥·拉蒙一卡哈爾（Santiago Ramony Cajal，1852-1934）。他們提出神經元染色法，並繪製了大量精美的生物神經網絡圖譜，沿用至今。
神經元（即神經細胞）是生物神經網絡的基本單元。對於它的功能，1943年，麥卡洛克和皮茨想像成「全或無」的邏輯開關。但是，生物神經元真是這樣嗎？這個問題在1939年就有人思考，而且不止思考，還「擼起袖子說幹就幹」。但神經元那麼小，擼袖子有什麼用！剛剛博士後出站回到劍橋大學的阿蘭·霍奇金（Alan Hodgkin，1914-1998）和他的博士後安德魯·赫胥黎（Andrew Huxley，1917-2012）腦子急轉彎：找個大神經元！他們選中了大西洋槍烏賊的巨神經元：軸突和耳機線差不多，插入0.1毫米的電極綽綽有餘！他們自製工具，很快就測到這個神經元的靜息電位和動作電位，實驗結果發表在Nature上。恰在此時，二戰爆發，兩人棄筆從戎。直到1946年，也就是馮·諾依曼在給維納的信中想到「藉助『顯微鏡』……在細胞層次上更深入地認識神經機制」的那一年，霍奇金和赫胥黎重新拿起膜片鉗，又花了6年時間，精細測量神經元傳遞電信號（神經脈衝，更準確地稱為「動作電位」）的動態過程，並給出了精確描述這一動力學過程的微分方程，稱為霍奇金-赫胥黎方程（Hodgkin-Huxley方程，簡稱HH方程）。HH模型對不同類型的神經元具有通用性，1963年，兩人因此獲得諾貝爾獎。
接下來是解析神經突觸，這一歷史重任轉到中國人肩上。中國現代神經科學奠基人馮德培（1907-1995）和張香桐（1907-2007）對神經可塑性研究做出了傑出貢獻。在霍奇金-赫胥黎方程發表的1952年，張香桐就發現樹突具有電興奮性，樹突上的突觸可能對神經元的興奮精細調節起重要作用。1992年，國際神經網絡學會授予張香桐終身成就獎，評價他「……為樹突電流在神經整合中起重要作用這一概念提供了直接證據……這一卓越成就，為我們將來發展使用微分方程和連續時間變數的神經網絡，而不再使用數字脈衝邏輯的電子計算機奠定了基礎」。1998年，託斯迪克斯（Tsodyks）和享利·馬克拉姆（Henry Markram，1962-）等構建了神經突觸計算模型。同年，畢國強和蒲慕明提出了神經突觸脈衝時間依賴的可塑性機制（Spike-Timing Dependent Plasticity，STDP）：反覆出現的突觸前脈衝有助於緊隨其後產生的突觸後動作電位並將導致長期增強，相反的時間關係將導致長期抑制。2000年，宋森等給出了STDP的數學模型。2016年，蒲慕明院士因為發現「……神經細胞如何依據對現實世界的體驗，建立新連接或者改變原有連接強度」，獲得美國神經學學會格魯伯神經科學獎。
神經突觸雖然微小，但對越來越精密的探測儀器來說，並無突破不了的障礙。人類全身神經突觸數量達到百萬億，神經元數量達到千億。雖然龐大繁雜，但仍然是一個複雜度有限的物理結構。2008年，美國工程院把「大腦反向工程」列為本世紀14個重大工程問題之一。2013年以來，歐洲「人類大腦計劃」以及美、日、韓和我國的「腦計劃」相繼登場，都把大腦結構圖譜繪製作為重要內容。2014年，華中科技大學「單細胞分辨的全腦顯微光學切片斷層成像技術與儀器」獲得國家技術發明獎二等獎，並被歐洲「人類大腦計劃」用作鼠腦仿真的基礎數據。2016年3月，美國情報高級研究計劃署（IARPA）啟動大腦皮層網絡機器智能（MICrONS）計劃，對1立方毫米的大腦皮層進行反向工程，並運用這些發現改善機器學習和人工智慧算法。2016年4月，全球腦計劃研討會（Global Brain Workshop 2016）提出，需要應對3大挑戰，第一個挑戰就是繪製大腦結構圖譜：「在10年內，希望能夠完成包括但不限於以下動物大腦的解析：果蠅、斑馬魚、鼠、狨猴，並將開發出大型腦圖譜繪製分析工具。」仿佛是為了證明這個預測，2016年9月8日，日本東海大學宣布繪製出包括十多萬個神經元的果蠅大腦神經網絡三維模型。
我國已經將「多模態跨尺度生物醫學成像」列為「十三五」國家重大科技基礎設施，這一平臺融合光、聲、電、磁、核素、電子等成像範式，提供從埃米到米、從微秒到小時跨越10個空間與時間尺度的解析能力，將分步驟實現多種模式動物大腦的高精度動態解析。