Областью междисциплинарных исследований на стыке психологии и нейрофизиологии занимается наука психофизиология. Ее исследования направлены на изучение психики в единстве с ее нейрофизиологическим субстратом. Первоначально термин "психофизиология" использовался наряду с понятием "физиологическая психология" для обозначения широкого круга исследований психики, опиравшихся на точные объективные физиологические методы. Главной задачей современной психофизиологии является причинное объяснение психических явлений путем раскрытия лежащих в их основе нейрофизиологических механизмов.

Основными методами психофизиологии являются регистрация сенсорных, моторных, вегетативных реакций, анализ последствий повреждений и стимуляции мозга, электроэнцефалография, математические способы обработки экспериментальных данных и др. В рамках психофизиологии выделяются отдельные направления, связанные с разработкой наиболее важных проблем: психофизиология органов чувств, организации движений, активности, памяти и обучения, речи, мотивации и эмоций, сна, стресса, психофизиология функциональных состояний и др. Особое место занимает дифференциальная психофизиология, изучающая физиологические основы индивидуально-психологических различий.

Как показали исследования, кора головного мозга состоит из шести слоев клеток. Только нижние из них связывают кору с периферией и составляют основу т.н. "первичных" зон: 4-й афферентный слой (мелкозернистые клетки) связан с органами чувств и 5-й эфферентный слой (гигантские пирамидные клетки) — с мышцами.

Поступающая от периферических рецепторов информация, переключаясь лишь в подкорковых образованиях, достигает ("проецируется") "первичных палей" — чувствительных областей коры. Эти области располагаются для зрения в затылочных, слуха — в височных, общего чувства (осязание, боль и др. чувствительность) — в теменных долях мозга. Аналогичным образом можно проследить волокна, которые начинаются от пирамидных клеток коры передней центральной извилины и, подходя к передним рогам спинного мозга, несут двигательные импульсы к мышцам.