1965年，Melzack和Wall's发表了《疼痛的门控理论》，其理论假说认为疼痛传导通路位于脊髓后角，某一脊髓节段的轻触觉、振动觉等无害刺激信号的传入，尤其是对脊髓后角的刺激信号传入，能够抑制甚至消除该节段以下疼痛刺激的传入。有了疼痛门控理论的支持，学者们开始研究对脊髓后索进行“无害性的”电流刺激，用以缓解疼痛。1964～1967年间，应Norm Shealy医生的要求，工程师Tom Mortimer在美敦力（Medtronic）公司首席技术总监Norm Hagfors的指导下基于心脏起搏器的工艺，成功研发了植入式脊髓后柱电刺激器。1967年10月，Norm Shealy医生为1例癌痛患者植入了这套设备，完成了首例脊髓电刺激手术（spinal cord stimulation，SCS）并达到了满意的治疗效果。1968年，植入式脊髓电刺激器正式商业上市，这一发明的问世标志着神经调控学的诞生。随后大量的疼痛患者接受了脊髓电刺激手术。在治疗疼痛的患者时，Cook和Dooley医生发现SCS能够缓解肌张力异常增高患者的症状，随后SCS被广泛应用于肌肉痉挛症的治疗。1972年，Nashold教授报道应用SCS改善患者膀胱功能障碍；1976年，SCS还被发现能够改善外周血流，随后被应用于治疗外周血管供血不足的患者。SCS也成为历史最悠久、使用频率最高的神经调控手术。此后，陆续研发出了可植入人体进行脑深部电刺激的脉冲发生器，并逐渐在临床推广应用。

    随着植入式脑深部电刺激设备的问世，美国的Brice和McLellan教授最早报道完成植入式脑深部电刺激（deep brain stimulation，DBS）手术。他们于1980年通过丘脑腹外侧核DBS手术成功地为一位多发硬化的患者解决了意向性震颤的症状。1986年，Siegfried教授发现DBS能够明显改善运动障碍患者肌张力增高的症状。1987年，法国Benabid教授报道了丘脑Vim核团慢性电刺激成功治疗帕金森病患者肢体震颤的研究，正式开创了慢性DBS治疗PD的先河。随着时间的进展，毁损手术尤其是双侧核团毁损的副作用逐渐显露出来，一些接受毁损手术的帕金森病患者术后几年陆续表现出比较明显的声音嘶哑、构音障碍、饮水呛咳及更加严重的运动障碍等。而DBS手术具有手术风险低、微创、可调控、可逆、并发症小等优势，并且随着现代计算机技术和神经影像学的发展、立体定向头架的完善、脑深部电信号记录系统的优化，神经外科医生能够更加准确地将电极植入脑内的准确位置，提高了治疗效果，并且随着工艺的提高，脉冲发生器的产品质量大幅度提升，从最初的体内脉冲接收器+体外脉冲发生器的形式演变成全植入式设备，并且体积明显减小，使用寿命显著延长，患者对仪器的耐受性大大提高。法国的Benabid教授极力倡导DBS手术，为DBS手术的推广作出了极大的贡献，越来越多的神经外科医生更加青睐DBS手术而非毁损手术治疗帕金森病。早期的DBS治疗PD的刺激靶点与之前毁损手术的靶点相同，都是苍白球和丘脑Vim核，手术疗效相当，但DBS手术不良反应明显减少。随着对DBS治疗研究的深入，1994年，Grenoble等证明丘脑底核（subthalamic nucleus，STN）电刺激亦能够明显缓解帕金森病患者的震颤、僵直、运动迟缓症状。因此，目前治疗PD的主要刺激靶点包括STN、Vim和苍白球内侧部（globus pallidusinterna，GPi）。由于DBS手术的可靠、安全、有效性逐渐被认可，1997年，美国食品药品管理局（FDA）批准Vim-DBS用于治疗特发震颤及帕金森病震颤，2003年批准STN-DBS及GPi-DBS治疗帕金森病。此后，DBS手术还被推广用于治疗多种肌张力障碍疾病如扭转痉挛、痉挛性斜颈、Meige综合征及一些精神疾病如抽动秽语综合征等。目前，DBS手术已经代替毁损手术成为外科治疗PD的首选方法。我国在1998年8月先后在北京天坛医院和安徽省立医院开展了DBS治疗帕金森病的手术。全球现已有超过14万人接受了DBS手术，在我国接受DBS手术治疗的患者已经超过8000例。

    从1968年左旋多巴问世到90年代大量应用Vim、GPi、STN-DBS治疗帕金森病这段时间，DBS还曾经被较多地用于治疗慢性疼痛的研究。Yoshio Hosobuchi教授于1973年报道了利用慢性电刺激感觉丘脑缓解患者顽固性疼痛，1977年，Akil教授报道通过室旁区电刺激治疗疼痛，并且认为这一作用是通过促进大脑内啡肽的释放而达到缓解疼痛的目的。但是由于Medtronic公司发起的多中心的临床试验未能得到所希望的缓解率，FDA于1989年撤销了DBS治疗慢性疼痛的许可，故DBS未能大量应用于疼痛的临床治疗。

    尝试将DBS手术用于治疗癫痫已有很长的历史。早在1978年，有学者报道从硬膜下刺激小脑可以减少癫痫的发作频率。1985年，Cooper等人首次选择丘脑前部作为靶点埋置电极，进行慢性电刺激治疗癫痫，尽管临床病例不多，但其治疗效果是令人鼓舞的。在DBS治疗顽固性癫痫的尝试中，Velasco教授于1987年尝试刺激丘脑中央中核、2000年尝试刺激海马治疗癫痫，取得了一定的效果。目前，丘脑前核（anterior thalamic nucleus，ANT）慢性电刺激治疗癫痫是研究热点，一项国外大规模的多中心临床试验（SANTE实验）已经报道ANT-DBS治疗癫痫有效。此外，一些学者还在尝试其他可能的刺激靶点治疗癫痫，包括丘脑中央中核、丘脑底核、小脑和尾状核等。2013年，欧盟和加拿大批准DBS用于治疗癫痫。

    早在20世纪80年代，学者们就发现经皮刺激迷走神经分布区能够减少癫痫发作。1985年，Zabara教授通过动物实验证实迷走神经电刺激能够减少狗的癫痫发作。1988年，美国Texas Cyberonics公司研制出植入式迷走神经刺激器；同年，Penry等人首次在临床上应用迷走神经电刺激（vagus nerve stimulation，VNS）治疗癫痫患者，取得了满意的疗效。1997年，美国FDA正式批准VNS可以作为成人和12岁以上青少年顽固性癫痫部分发作的辅助治疗方法。此后，VNS还被证实能够明显改善重度抑郁患者的心境。由于VNS手术操作简单，损伤小，患者恢复较快，更容易被患者接受，1997年至今，全球范围内已经有超过13万例癫痫患者接受了VNS治疗。