脑卒中研究所以首都医科大学附属北京天坛医院为主要依托单位，整合了首都医科大学宣武医院等优势资源，拥有中国医学科学院神经科学会诊中心、北京市脑血管病抢救治疗中心、北京市医学影像中心等临床中心。这些中心在各自的临床领域具有国内一流的实力。
阿尔茨海默病研究所以首都医科大学宣武医院为主要依托单位。首都医科大学宣武医院神经内科是我国创建最早、规模最大的神经内科之一，吸引着全国乃至世界各地的疑难重症病人，提供了充足的病例资源和临床实践平台。阿尔茨海默病专业一直是神经内科的重点和优势专业，配有记忆门诊、神经心理检查室和阿尔茨海默病专科病房；另外，首都医科大学教育部阿尔茨海默病重点实验室和老年阿尔茨海默病北京市重点实验室都设在宣武医院神经内科，具有临床研究和基础研究密切结合的优势。
帕金森病研究所以首都医科大学宣武医院为主要依托单位，整合了首都医科大学附属北京天坛医院、首都医科大学基础医学院多名长期从事在帕金森病的病因、发病机制、早期诊断与防治的专家及团队，并依托教育部神经变性病重点实验室、帕金森病研究北京市重点实验室、北京老年病医疗研究中心、神经退行性疾病新药临床评价研究技术平台和灵长类动物实验平台等技术平台的支持，其研究实力和学科地位在全国领先。
脑肿瘤研究所以北京市神经外科研究所为主要依托单位，整合了首都医科大学附属北京天坛医院、北京三博脑科医院等全国一流水平的脑肿瘤临床诊治中心，其中北京天坛医院是世界三大神经外科研究中心之一、亚洲最大的神经外科临床、科研、教学基地和WHO在中国的神经科学培训合作中心；承担了国内大多数脑肿瘤相关重大科研项目，取得了丰硕的成果；开展脑肿瘤诊疗应用技术的研发、转化、推广应用方面取得了突出的成绩，部分领域达到了世界先进水平，积累了一批亟待转化的成果。
癫痫研究所以首都医科大学附属北京三博脑科医院为主要依托单位，整合了首都医科大学附属北京天坛医院、宣武医院的神经外科、神经内科以及癫痫临床医学研究和脑功能疾病调控治疗2个北京市重点实验室的优势力量，癫痫年门诊量超过8万人次，癫痫年手术量800台。首都医科大学附属北京三博脑科医院是神经外科三级专科医院，国家临床重点专科建设单位，是中国抗癫痫协会临床培训与实践基地，在癫痫临床研究方面处于国内领先，国际先进水平。
神经损伤与修复研究所依托于中国康复研究中心，联合中国康复科学所、清华大学、中国科学院生物物理所、首都医科大学、中国人民解放军第二军医大学、中国人民解放军第四军医大学、中国人民解放军总医院以及北京博爱医院等科研医疗机构，在科学研究、临床转化、人才培养等方面具有强大的研究基础和成果。中国康复研究中心自建立以来，一直承担着我国残疾人全面康复、康复技术研究、康复人才培养以及康复信息与社会服务的重任，是我国建立最早、规模最大、实力最强、影响最广的的综合性康复机构和技术资源中心。
抑郁症研究所以首都医科大学附属北京安定医院为主要依托单位，集中了国内抑郁症研究领域的优秀人才，多年来致力于抑郁症的病因学研究、早期诊断及全程治疗，特别是在抑郁症的分子遗传病因学和抑郁症生物表型研究开展了大量的工作。主持国家级和国际合作项目，包括科技部“973计划”、“863计划”、“十一五”科技支撑项目、国家自然基金委重点项目、重大研究计划重点支持项目，北京市科委科技攻关项目等。
精神分裂症研究所以首都医科大学附属北京安定医院和北京市精神疾病诊断与治疗重点实验室为主要依托单位，精神分裂症年门诊量近13万，为精神分裂症的病因学、个体化治疗、早期干预等研究方向提供了坚实的基础。研究所整合精神科、中西医结合、神经生理、神经影像等多学科资源，以国家精神疾病重点专科、中医神志病国家重点学科、临床心理学北京市重点建设学科等作为支撑，具有北京医学科学院精神科学会诊中心、北京市儿童青少年心理卫生中心。这些中心在各自的临床领域具有国内一流的实力。
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