Другая линия разработок шла в направлении поиска путей выявления конкретных мозговых структур, которые связаны с реализацией изучаемых вербальных функций. В 1970-х гг. в Лаборатории был предложен экспериментальный подход с использованием разработок М. Н. Ливанова по регистрации ЭЭГ с множественных участков поверхности мозга во время выполнения испытуемым точно регламентированной психической деятельности. Предложенный подход позволил выявлять зоны мозговой активации при выполнении человеком разного типа вербальных операций (Т. Н. Ушакова, Н. Е. Свидерская, Л. А. Шустова, 1979, 1980, 1985), что стало формой реализации принципа «наложения психического узора на физиологическую канву» (И. П. Павлов). Разработанный в коллективе подход явился первым из работ в направлении, приобретшим сейчас популярность и даже ставшим модным в современной когнитивной психологии (ПЭТ, brain imaging, мозговое картирование и др.).

История психолингвистических исследований в Петербурге восходит к классическим работам замечательных лингвистов: В. Гумбольдта, Ф. де Соссюра, А. А. Потебни, И. А. Бодуэна де Куртенэ, А. М. Пешковского, Н. С. Трубецкого, М. М. Бахтина, Л. В. Щербы, Р. Якобсона.

Находившийся под значительным влиянием физиологических работ И. М. Сеченова и экспериментальной психологии В. Вундта, Бодуэн де Куртенэ фактически заложил в Петербурге основы экспериментального изучения речи. Его работы во многом определили интересы петербургской лингвистики, в том числе и экспериментальной. Л. В. Щерба писал: «Появление на кафедре гениального ученого, отличавшегося смелостью и оригинальностью мысли, большого общественника, человека кристальной чистоты и вообще одного из самых передовых людей своего времени, сыграло решающую роль в судьбах лингвистики в стенах Санкт-Петербургского, а потом Ленинградского университета… Создалась оригинальная Ленинградская школа лингвистов, явившаяся продолжением того, что Бодуэн насаждал в свое время в Казани…» (Филологический факультет СПбГУ, 2000, с. 146). Это начало имело блестящее продолжение в экспериментальных работах школы Л. В. Щербы и его учеников – в лаборатории экспериментальной фонетики СПбГУ – М. И. Матусевич, Л. Р. Зиндера, Л. В. Бондарко, Л. А. Вербицкой, Н. Д. Светозаровой, М. В. Гординой, А. С. Штерн и других.

Отдельное место занимают на петербургской психолингвистической карте работы С. Д. Каценельсона, изданные в 2001 году книгой «Категории языка и мышления».

Большую роль в развитии петербургской психолингвистики сыграли Л. В. Сахарный и А. С. Штерн. На базе Санкт-Петербургского государственного университета ими был основан постоянно действующий и по сей день ежемесячный городской психолингвистический семинар, в работе которого в качестве ученого секретаря с самого начала принимала участие нынешний руководитель этой научно-педагогической школы Т. В. Черниговская. Л. В. Сахарный первым стал читать курс психолингвистики на базе кафедры общего языкознания Санкт-Петербургского государственного университета. Многие студенты, аспиранты и дипломанты не только СПбГУ, но и других вузов страны смогли получить квалификацию в этой мультидисциплинарной области знаний и продолжают работать в высших учебных заведениях и учреждениях РАН (например, тесные связи поддерживают с петербургской школой ближайшие ученики Л. В. Сахарного и А. С. Штерн из Перми – И. Г. Овчинникова, Т. И. Доценко, Е. В. Ерофеева).

Среди результатов научной деятельности Л. В. Сахарного следует отметить разработку теории текстов-примитивов и анализа многоуровневой тема-рематической структуры текста (Сахарный, 1983, 1989, 1996). Им разработана теория информационного поиска – незаменимого инструмента организации библиотек, в частности, Российской национальной библиотеки, где он долгие годы работал.