המחקר במגמה הפסיכוביולוגית משלב מחקר ברמות התנהגותיות, הפיזיולוגיות והמולקולריות כדי להבין את פעילות המוח בצורה הטובה ביותר, תוך שימוש בשיטות מחקר מתקדמות הנמצאות בחזית המחקר המדעי. החוקרים במגמה בוחנים תפקודים התנהגותיים וקוגניטיביים החל מרמת המולקולה ועד רמת האורגניזם המתנהג (בע"ח ובני אדם), ומשתמשים במודלים למחלות (כגון, סכיזופרניה, התמכרויות, הפרעה אובססיבית קומפולסיבית ועוד) כדי להבין את המנגנונים המולקולריים והמוחיים של המחלות הנוירופסיכיאטריות, וכדי למצוא טיפולים ותרופות חדשניים. התחום מתבסס על מחקר בבעלי חיים ובבני אדם תוך שימוש בשיטות מגוונות, ביניהן מודלים התנהגותיים, פרמקולוגיה, ביולוגיה מולקולרית וביוכימיה, מיקרוסקופיה מתקדמת, אלקטרופיזיולוגיה, הדמיה מוחית, שיטות חישוביות ועוד. הסטודנטים במגמה יקבלו כלים שמשלבים ידע תיאורטי ומחקרי עדכני בנושאי חקר המוח, הן ברמה הביולוגית והפיזיולוגית, והן ברמה הפסיכולוגית, יפתחו מיומנות מחקרית באמצעות השתתפות במחקרים מרתקים, ויקבלו הכשרה בטכנולוגיות מתקדמות של מחקר התנהגותי, פיזיולוגי וביולוגי.