สมองมนุษย์

สมองมนุษย์ (Human brain)
สมองมนุษย์และกะโหลกศีรษะ
กลีบสมองใหญ่ รวมกลีบหน้า (สีชมพู) กลีบข้าง (สีเขียว) และกลีบท้ายทอย (สีน้ำเงิน)
รายละเอียด
คัพภกรรม	Neural tube
ระบบ	ระบบประสาทกลาง ระบบภูมิคุ้มกันของประสาท
หลอดเลือดแดง	internal carotid artery, vertebral artery
หลอดเลือดดำ	internal jugular vein[A], internal cerebral veins external veins: (superior cerebral vein, middle cerebral vein และ inferior cerebral vein), basal vein และ cerebellar veins
ตัวระบุ
ภาษาละติน	Cerebrum[1]
ภาษากรีก	ἐγκέφαλος (enképhalos)[2]
TA98	A14.1.03.001
TA2	5415
FMA	50801
อภิธานศัพท์กายวิภาคศาสตร์ [แก้ไขบนวิกิสนเทศ]

สมอง เป็นอวัยวะหลักของระบบประสาทมนุษย์ โดยจัดเป็นระบบประสาทกลางเมื่อรวมกับไขสันหลัง สมองประกอบด้วยสมองใหญ่ ก้านสมอง และสมองน้อย เป็นศูนย์ควบคุมการทำงานของร่างกาย, การแปลผล รวบรวม และประสานข้อมูลที่ได้รับจากประสาทสัมผัส, และการตัดสินใจว่าจะสั่งให้ร่างกายทำการเช่นไร สมองอยู่ในกระดูกหุ้มสมองภายในศีรษะ ลอยอยู่ในน้ำหล่อสมองไขสันหลัง และแยกจากกระแสเลือดด้วยตัวกั้นระหว่างเลือดกับสมอง ซึ่งช่วยป้องกันมันจากอันตราย

สมองใหญ่ (cerebrum) เป็นส่วนใหญ่สุดในสมองมนุษย์ แบ่งออกเป็นสองซีก โดยมีเปลือกสมอง (cerebral cortex) เป็นเปลือกของเนื้อเทา (grey matter) ซึ่งปกคลุมแกนที่เป็นเนื้อขาว (white matter) อยู่ เป็นเนื้อเยื่อประสาทหนาที่คลุมสมองส่วนใหญ่ พับไปพับมาเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวแต่ยังจุในปริมาตรกะโหลกเท่าที่มีได้ รูปแบบการพับเหมือนกันในแต่ละบุคคลแม้จะต่างกันบ้างเล็กน้อย เปลือกสมองสามารถแบ่งตามจำนวนชั้นประสาทออกเป็นคอร์เทกซ์ใหม่ (neocortex) และอัลโลคอร์เทกซ์ (allocortex) ที่เล็กกว่ามาก คอร์เทกซ์ใหม่มีชั้น 6 ชั้น เทียบกับอัลโลคอร์เทกซ์ที่มีเพียง 3-4 ชั้น สมองใหญ่แต่ละซีกนิยมแบ่งออกเป็น 4 กลีบ คือ กลีบหน้า กลีบขมับ กลีบข้าง และกลีบท้ายทอย

สมองกลีบหน้า (frontal lobe) มีหน้าที่ทาง executive functions รวมทั้งการควบคุมตนเอง^[B] การวางแผน การหาเหตุผล และการเฟ้นหานัยทางนามธรรม^[C] ส่วนสมองกลีบท้ายทอย (occipital lobe) มีหน้าที่โดยเฉพาะเกี่ยวกับการเห็น ภายในสมองแต่ละกลีบ บริเวณต่าง ๆ จะสัมพันธ์กับหน้าที่โดยเฉพาะ ๆ เช่น บริเวณของประสาทสัมผัส ประสาทสั่งการ และประสาทสัมพันธ์ แม้สมองซีกซ้ายขวาโดยรวมจะคล้ายกันทั้งโดยรูปร่างและหน้าที่ แต่หน้าที่บางอย่างก็อยู่ในซีกเดียวโดยมาก เช่น ภาษาในสมองซีกซ้าย และสมรรถภาพการแปรรูปในนานามิติ (visual-spatial ability)^[D] หรือมิติสัมพันธ์ในสมองซีกขวา ซีกสมองจะเชื่อมกันผ่านลำเส้นใยประสาทเชื่อม (commissural nerve tracts) โดยที่ใหญ่สุดคือ คอร์ปัสคาโลซัม

สมองใหญ่เชื่อมกับไขสันหลังด้วยก้านสมอง ซึ่งประกอบด้วยสมองส่วนกลาง พอนส์ และก้านสมองส่วนท้าย ส่วนสมองน้อยเชื่อมกับก้านสมองด้วยลำเส้นใยประสาท cerebellar peduncle ซึ่งเป็นโครงสร้างเนื้อขาวมีรูปเหมือนก้าน (peduncle) โดยประกอบกันเป็นคู่ ๆ ภายในสมองใหญ่มีระบบโพรงสมอง ประกอบด้วยโพรงสมองที่เชื่อมต่อกัน 4 โพรง ซึ่งผลิตน้ำหล่อสมองไขสันหลัง (cerebrospinal fluid) ที่ไหลเวียน ใต้เปลือกสมองมีโครงสร้างสำคัญหลายอย่างรวมทั้งทาลามัส, epithalamus, ต่อมไพเนียล, ไฮโปทาลามัส, ต่อมใต้สมอง, subthalamus, ระบบลิมบิกรวมทั้งอะมิกดะลาและฮิปโปแคมปัส, claustrum ซึ่งเป็นนิวเคลียสต่าง ๆ ของ basal ganglia, โครงสร้างต่าง ๆ ของ basal forebrain^[E] และ circumventricular organs^[F] 3 อัน เซลล์ที่อยู่ในสมองรวมเซลล์ประสาทและเซลล์สนับสนุนคือเซลล์เกลีย มีเซลล์ประสาทกว่า 86,000 ล้านตัวในสมอง เกือบเท่ากับเซลล์ประเภทอื่น ๆ สมองทำงานได้เพราะเซลล์ประสาทเชื่อมต่อกันและหลั่งสารสื่อประสาทเป็นการตอบสนองต่อกระแสประสาท เซลล์ประสาทเชื่อมต่อกันเป็นวิถีประสาท วงจรประสาท (neural circuit) และระบบเครือข่ายประสาทขนาดใหญ่ (large scale brain networks) วงจรทั้งหมดทำงานผ่านกระบวนการสื่อประสาท/การส่งผ่านประสาท (neurotransmission)

กะโหลกศีรษะเป็นตัวป้องกันสมอง ซึ่งลอยอยู่ในน้ำหล่อสมองไขสันหลัง และแยกออกจากระบบเลือดด้วยตัวกั้นระหว่างเลือดกับสมอง (blood-brain barrier) แต่สมองก็ยังอาจเสียหาย เกิดโรค และติดเชื้อได้ ความเสียหายอาจมาจากการบาดเจ็บที่ศีรษะ หรือการขาดเลือดที่เรียกว่าโรคหลอดเลือดสมอง สมองอาจเสื่อม เช่น เกิดโรคพาร์คินสัน เกิดภาวะสมองเสื่อมรวมทั้งโรคอัลไซเมอร์ และเกิดโรคปลอกประสาทเสื่อมแข็ง โรคทางจิตเวชต่าง ๆ รวมทั้งโรคจิตเภทและโรคซึมเศร้าเชื่อว่า สัมพันธ์กับการทำงานผิดปกติของสมอง สมองยังอาจเกิดเนื้องอกทั้งที่ไม่ร้ายและร้าย ซึ่งมักจะแพร่กระจายมาจากส่วนอื่นของร่างกาย

สาขาที่ศึกษากายวิภาคของสมองก็คือประสาทกายวิภาคศาสตร์ ที่ศึกษาหน้าที่ก็คือประสาทวิทยาศาสตร์ การศึกษาได้ใช้เทคนิคต่าง ๆ เช่น ตัวอย่างในสัตว์อื่น ๆ ที่ส่องด้วยกล้องจุลทรรศน์ได้ให้ข้อมูลมากมาย เทคโนโลยีการสร้างภาพทางการแพทย์ เช่น functional neuroimaging (การสร้างภาพประสาทโดยกิจ) และการบันทึกคลื่นไฟฟ้าสมอง (EEG) สำคัญในการศึกษาสมอง ประวัติคนไข้ที่สมองเสียหายได้ให้ความรู้เกี่ยวกับหน้าที่ของสมองแต่ละส่วน การวิจัยสมองได้เปลี่ยนไปตามเวลาเป็นระยะ ๆ โดยมีหลักปรัชญา วิธีการทดลอง และทฤษฎีที่ต่าง ๆ กัน ระยะต่อไปได้พยากรณ์ว่า จะเป็นการจำลองการทำงานของสมอง^[10]

ทางด้านวัฒนธรรมตะวันตก จิตปรัชญา (philosophy of mind) ได้พยายามอธิบายธรรมชาติของความรู้สึกตัว/การรับรู้/พิชาน (consciousness) และปัญหาจิต-กาย (mind-body problem) วิทยาศาสตร์เทียมจากคริสต์ศตวรรษที่ 19 คือ phrenology ได้พยายามระบุลักษณะบุคลิกภาพไปที่เปลือกสมองเขตต่าง ๆ นิยายวิทยาศาสตร์ปี 1942 คือ Donovan's Brain (สมองของนายดอนอวัน) ได้จินตนาการถึงสภาพที่เหมือนกับปลูกถ่ายสมอง คัมภีร์อรรถกถาของพุทธศาสนาเถรวาทได้กล่าวถึงสมองไว้ในเรื่องประวัติของหมอชีวกโกมารภัจจ์และในเรื่องการปฏิบัติ

สมองของผู้ใหญ่หนักโดยเฉลี่ย 1.2-1.4 กก. นับเป็นเพียงแค่ 2% ของน้ำหนักร่างกาย^[11][12] มีปริมาตรราว ๆ 1,260 ซม³ ในชาย และ 1,130 ซม³ ในหญิงแต่ก็จะต่างกันมากในบุคคลต่าง ๆ^[13] ความแตกต่างทางประสาทระหว่างเพศไม่พบว่าสัมพันธ์อย่างชัดเจนกับระดับเชาวน์ปัญญาหรือค่าวัดประสิทธิภาพทางประชานอื่น ๆ^[14]

สมองใหญ่ประกอบด้วยซีกสมองสองข้าง เป็นส่วนใหญ่สุดของสมองและอยู่ทับโครงสร้างสมองอื่น ๆ^[15] ส่วนนอกของซีกสมองคือ เปลือกสมอง เป็นเนื้อเทาซึ่งประกอบด้วยเซลล์ประสาทที่วางเป็นชั้น ๆ สมองแต่ละซีกจะแบ่งออกเป็น 4 กลีบ คือ กลีบหน้า กลีบข้าง กลีบขมับ และกลีบท้ายทอย^[16] นักวิชาการบางพวกจัดว่ามีกลีบสมองอีก 3 กลีบคือ กลีบกลาง (central lobe) กลีบลิมบิก (limbic lobe) และกลีบอินซูลา (insular lobe)^[17] สมองกลีบกลางประกอบด้วย precentral gyrus และ postcentral gyrus และจัดว่าเป็นกลีบสมองก็เพราะมีหน้าที่ต่างหาก^[17][18]

ก้านสมอง ซึ่งเหมือนกับก้านไม้ ต่อออกจากสมองใหญ่ทางข้างใต้โดยเริ่มต้นเป็นสมองส่วนกลาง ก้านสมองรวมสมองส่วนกลาง พอนส์ และก้านสมองส่วนท้าย หลังก้านสมองเป็นสมองน้อย^[15] สมองใหญ่ ก้านสมอง สมองน้อย และไขสันหลังจะปกคลุมด้วยเยื่อหุ้ม 3 ชั้นที่เรียกว่า เยื่อหุ้มสมอง (meninges) ชั้นบนสุดเป็นเยื่อดูราที่แข็งสุด ชั้นกลางเป็นเยื่ออะแร็กนอยด์ และชั้นบางสุดและในสุดเป็นเยื่อเพีย ระหว่างเยื่ออะแร็กนอยด์กับเยื่อเพียมีช่องใต้เยื่ออะแร็กนอยด์ (subarachnoid space)^[G] และ subarachnoid cistern^[H] ซึ่งมีน้ำหล่อสมองไขสันหลัง^[20] เยื่อชั้นนอกสุดของเปลือกสมองเป็นเยื่อฐาน (basement membrane) ของเยื่อเพีย ซึ่งเรียกว่า glia limitans เป็นส่วนสำคัญของตัวกั้นระหว่างเลือดกับสมอง^[21] สมองที่ยังเป็นอยู่นิ่มมาก มีลักษณะคล้ายวุ้นคล้ายกับเต้าหู้อ่อน^[22] ชั้นเซลล์ประสาทต่าง ๆ ที่เปลือกสมองรวมกันเป็นเนื้อเทาของสมองใหญ่โดยมาก แม้จะเรียกว่าเนื้อเทา แต่ที่ยังเป็นอยู่ก็มีสีชมพูจนถึงสีเนื้อโดยหลอดเลือดฝอยและตัวเซลล์ประสาทเป็นเหตุ^[23] ส่วนเขตใต้เปลือกสมองซึ่งลึกกว่าเป็นแอกซอนหุ้มปลอกไมอีลินรวมกันเป็นเนื้อขาว^[15] เนื้อขาวมีปริมาตรประมาณครึ่งหนึ่งของสมอง^[24]

สมองใหญ่เป็นส่วนใหญ่สุดในสมอง แบ่งออกเป็นซีกซ้ายขวาโดยเกือบสมมาตรกัน แบ่งด้วยร่องลึกที่เรียกว่าร่องตามยาว (longitudinal fissure)^[25] ความไม่สมมาตรระหว่างซีกสมองเรียกว่า petalia^[I][27] ซีกสมองซ้ายขวาเชื่อมกันด้วยเส้นเชื่อมประสาท (commissure) ต่าง ๆ ที่ข้ามร่องตามยาวโดยมีคอร์ปัสคาโลซัมเป็นเส้นใหญ่สุด^[15] สมองแต่ละซีกนิยมแบ่งออกเป็น 4 กลีบ คือ กลีบหน้า กลีบข้าง กลีบขมับ และกลีบท้ายทอย โดยตั้งชื่อตามกระดูกกะโหลกศีรษะที่ปิดปกป้องสมองกลีบนั้น ๆ^[16] สมองแต่ละกลีบจะสัมพันธ์กับหน้าที่โดยเฉพาะ 1-2 อย่างแต่ก็มีหน้าที่ซึ่งคาบเกี่ยวกันด้วย^[28] ผิวสมองจะพับไปมาทำให้เกิดรอยนูน (gyrus) และร่อง (sulcus) ซึ่งบางส่วนอาจตั้งชื่อตามตำแหน่ง เช่น frontal gyrus ที่สมองกลีบหน้า และร่องกลางซึ่งแบ่งกลางซีกสมองแต่ละข้าง^[29]

ส่วนนอกสุดของสมองใหญ่เป็นเปลือกสมอง เป็นเนื้อเทาที่จัดเป็นชั้น ๆ หนา 2-4 มม. พับเข้าไปลึกทำให้เห็นเป็นหยัก ๆ^[30] ใต้เปลือกสมองเป็นเนื้อเทาของสมองใหญ่ เปลือกสมองส่วนใหญ่สุดก็คือคอร์เทกซ์ใหม่ (neocortex) ซึ่งมีเซลล์จัดเป็น 6 ชั้น เปลือกสมองส่วนที่เหลือเป็นอัลโลคอร์เทกซ์ (allocortex) ซึ่งมีชั้นเซลล์ประสาท 3-4 ชั้น^[15]

เปลือกสมองได้แบ่งตามการทำงานออกเป็นราว ๆ 50 ส่วนที่เรียกว่า บริเวณบรอดมันน์ (Brodmann's areas) ซึ่งเห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์^[31] เปลือกสมองสามารถแบ่งออกเป็น 2 ส่วนหลัก ๆ ตามหน้าที่ได้ คือ คอร์เทกซ์สั่งการ (motor cortex) และคอร์เทกซ์รับความรู้สึก (sensory cortex)^[32] คอร์เทกซ์สั่งการปฐมภูมิ (primary motor cortex) ซึ่งส่งแอกซอนลงไปยังเซลล์ประสาทสั่งการในก้านสมองและไขสันหลัง อยู่ด้านหลังของสมองกลีบหน้า อยู่ด้านหน้าก่อนบริเวณรับรู้ความรู้สึกทางกาย (somatosensory area)

บริเวณรับรู้ความรู้สึกปฐมภูมิต่าง ๆ (primary sensory areas) รับข้อมูลจากประสาทรับความรู้สึก (sensory nerve) และลำเส้นใยประสาทอื่น ๆ โดยผ่านนิวเคลียสประสาทรีเลย์ภายในทาลามัส บริเวณรับรู้ความรู้สึกปฐมภูมิรวมคอร์เทกซ์ส่วนการเห็น (visual cortex) ในสมองกลีบท้ายทอย, คอร์เทกซ์ส่วนการได้ยิน (auditory cortex) ในส่วนต่าง ๆ ของสมองกลีบขมับและคอร์เทกซ์อินซูลา และคอร์เทกซ์รับรู้ความรู้สึกทางกาย (somatosensory cortex) ในสมองกลีบข้าง

เปลือกสมองที่เหลือจาก 2 ส่วนหลักนั้นเรียกว่าบริเวณประสาทสัมพันธ์ (association areas) ซึ่งได้รับกระแสประสาทจากศูนย์ประสาทรับความรู้สึกและสมองส่วนล่าง มีหน้าที่แปลผลทางประชานที่ซับซ้อนเพื่อให้เกิดการรับรู้ ความคิด และการตัดสินใจ^[33]

หน้าที่หลักของสมองกลีบหน้าจะเกี่ยวกับการใส่ใจ การเฟ้นหานัยทางนามธรรม^[C] พฤติกรรม การแก้ปัญหา การตอบสนองทางกาย และบุคลิกภาพ^[34][35] สมองกลีบท้ายทอยเป็นกลีบเล็กสุด มีหน้าที่แปลผลเพื่อการรับรู้ทางตา แปรรูปในนานามิติ^[D] แปลผลการเคลื่อนไหว และการรู้จำสี^[34][35] มีกลีบย่อยที่ยิ่งเล็กกว่าในกลีบท้ายทอยที่เรียกว่า cuneus ส่วนสมองกลีบขมับมีหน้าที่เกี่ยวกับความจำทางหูและทางตา ภาษา บางส่วนของการได้ยินและการพูด^[34]

สมองใหญ่มีโพรงสมองต่าง ๆ ที่ผลิตน้ำหล่อสมองไขสันหลัง (cerebrospinal fluid) ที่ไหลเวียน ใต้คอร์ปัสคาโลซัมเป็น septum pellucidum คือเยื่อบาง ๆ รูปสามเหลี่ยมแนวตั้งที่แยกโพรงสมองข้างซีกซ้ายจากขวา ใต้โพรงสมองข้างเป็นทาลามัส และด้านหน้าข้างใต้ของมันก็เป็นไฮโปทาลามัส ใต้ไฮโปทาลามัสเป็นต่อมใต้สมอง หลังทาลามัสเป็นก้านสมอง^[36]

basal ganglia หรือเรียกด้วยว่า basal nuclei เป็นชุดโครงสร้างที่อยู่ลึกในสมอง มีหน้าที่ควบคุมพฤติกรรมและการเคลื่อนไหว^[37] โดยองค์ประกอบใหญ่สุดก็คือ striatum องค์ประกอบอื่น ๆ รวมทั้ง globus pallidus, substantia nigra และ subthalamic nucleus^[37] ด้านบน (dorsal) ส่วนหนึ่งของ striatum เป็น putamen และ globus pallidus ที่แยกต่างหากกับโพรงสมองข้างและทาลามัสด้วย internal capsule ส่วน caudate nucleus จะยืดตัวไปรอบ ๆ แล้วต่อชิดกับโพรงสมองข้างทางด้านนอก^[38] ส่วนลึกสุดของร่องข้าง (lateral sulcus) ระหว่างคอร์เทกซ์อินซูลากับ striatum เป็นแผ่นเซลล์ประสาทบาง ๆ ที่เรียกว่า claustrum^[39]

ใต้ striatum ด้านหน้าเป็นโครงสร้างของ basal forebrain จำนวนหนึ่ง รวมทั้ง nucleus accumbens, nucleus basalis, diagonal band of Broca, substantia innominata และ medial septal nucleus เป็นโครงสร้างสำคัญที่ผลิตสารสื่อประสาทคือ acetylcholine (ACh) ซึ่งแพร่กระจายไปอย่างกว้างขวางในสมอง ดังนั้น basal forebrain โดยเฉพาะ nucleus basalis จึงจัดว่า เป็นโครงสร้างสื่อประสาทแบบ cholinergic (คือสื่อด้วย ACh) หลักของระบบประสาทกลางซึ่งส่งไปยัง striatum และคอร์เทกซ์ใหม่^[40]

สมองน้อยแบ่งออกเป็นกลีบหน้า (anterior lobe) กลีบหลัง (posterior lobe) และ flocculonodular lobe^[41] กลีบหน้าและหลังเชื่อมกันตรงกลางด้วย cerebellar vermis^[42] เปลือกสมองน้อยด้านนอกบางกว่าเปลือกสมองใหญ่มาก และมีรอยพับแคบ ๆ เป็นแนวตัดขวางจำนวนมาก^[42] ซึ่งทำให้ดูต่างกับสมองส่วนอื่น ๆ เมื่อมองจากด้านล่างระหว่างกลีบสองกลีบก็จะเห็นกลีบที่สามคือ flocculonodular lobe^[43] สมองน้อยอยู่ที่ด้านหลังของโพรงกะโหลกศีรษะ (posterior cranial fossa) อยู่ใต้สมองกลีบท้ายทอย โดยแยกจากมันด้วยแผ่นใยประสาท cerebellar tentorium^[44]

สมองน้อยเชื่อมกับสมองส่วนกลางของก้านสมองด้วยเนื้อขาว superior cerebellar peduncle, เชื่อมกับพอนส์ด้วย middle cerebellar peduncle และเชื่อมกับก้านสมองส่วนท้ายด้วย inferior cerebellar peduncle^[42] สมองน้อยประกอบด้วยแกนในที่เป็นเนื้อขาวและคอร์เทกซ์นอกที่เป็นเนื้อเทาซึ่งพับไว้เป็นอย่างดี^[44] กลีบหน้าหลังของสมองน้อยดูเหมือนจะมีหน้าที่ประสานและทำให้ราบรื่นซึ่งการเคลื่อนไหว (motor movement) ที่ซับซ้อน และ flocculonodular lobe มีหน้าที่เกี่ยวกับการทรงตัว^[45] โดยอาจมีหน้าที่อย่างอื่นทางประชาน พฤติกรรม และการเคลื่อนไหวที่นักวิชาการยังไม่เห็นพ้องกัน^[46]

ก้านสมองอยู่ใต้สมองใหญ่ ประกอบด้วยสมองส่วนกลาง พอนส์ และก้านสมองส่วนท้าย อยู่ที่ด้านหลังของกะโหลกศีรษะ (posterior cranial fossa) ตั้งอยู่ที่ฐานกะโหลกซึ่งเรียกว่า clivus^[J] และเอียงลงไปยุติที่ฟอราเมนแมกนัม ซึ่งเป็นช่องใหญ่ในกระดูกท้ายทอย ส่วนที่ยื่นลงออกจากส่วนนี้เรียกว่า ไขสันหลัง^[48] ซึ่งป้องกันด้วยกระดูกสันหลัง

เส้นประสาทสมอง 10 คู่จาก 12 คู่^[K] ออกมาจากก้านสมองโดยตรง^[48] ก้านสมองยังมีนิวเคลียสประสาทสมอง (cranial nerve nucleus) นิวเคลียสประสาทนอกส่วนกลาง (peripheral nerve nucleus) และนิวเคลียสประสาทที่มีหน้าที่ควบคุมกระบวนการสำคัญต่าง ๆ รวมทั้งการหายใจ การเคลื่อนไหวของตา และการทรงตัว^[49][48] ส่วน reticular formation ซึ่งเป็นเครือข่ายนิวเคลียสประสาทซึ่งไร้ขอบเขตที่ชัดเจน ทอดไปตามยาวของก้านสมองทั้งหมด^[48] ลำเส้นใยประสาทหลายลำ ซึ่งส่งข้อมูลจากเปลือกสมองไปยังร่างกายที่เหลือและลำเส้นใยประสาทจากร่างกายที่ส่งไปยังเปลือกสมอง ล้วนผ่านก้านสมอง^[48]

สมองมนุษย์โดยหลักประกอบด้วยเซลล์ประสาท เซลล์เกลีย เซลล์ต้นกำเนิดประสาท (neural stem cell) และหลอดเลือด ประเภทเซลล์ประสาทรวมทั้งอินเตอร์นิวรอน, เซลล์พีระมิดรวมทั้งเซลล์เบ็ตซ์, เซลล์ประสาทสั่งการ (เซลล์สั่งการบนและล่าง) และเซลล์เพอร์คินจีในสมองน้อย เซลล์เบ็ตซ์ใหญ่สุดโดยขนาด^[50] โดยอาจมีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ถึง 100 ไมโครเมตร^[51] สมองมนุษย์ผู้ใหญ่ประเมินว่ามีเซลล์ประสาท 86,000±8,000 ล้านตัว โดยมีเซลล์อื่น ๆ นอกเหนือจากนั้นประมาณเท่า ๆ กัน คือ 85,000±10,000 ล้านตัว^[52] โดยเซลล์ประสาท 16,000 ล้านตัว (19%) อยู่ในเปลือกสมอง และ 69,000 ล้านตัว (80%) อยู่ในสมองน้อย^[12][52]

ประเภทต่าง ๆ ของเซลล์เกลียคือแอสโทรไซต์ (รวม Bergmann glia^[L] ในสมองน้อย), โอลิโกเดนโดรไซต์, ependymal cell^[M] (รวม tanycyte^[N]), radial glial cell^[O], microglia^[P] และประเภทย่อยของ oligodendrocyte progenitor cell ในบรรดาเซลล์เกลีย แอสโทรไซต์ใหญ่สุด เป็นเซลล์รูปดาว^[Q] ที่มีส่วนยื่นจำนวนมากออกจากตัว ส่วนยื่นบางส่วนไปยุติติดกับผนังหลอดเลือดฝอย^[66] เยื่อ glia limitans ใต้เยื่อเพียเหนือเปลือกสมองทำมาจากปลายส่วนยื่นของแอสโทรไซต์ มีหน้าที่อย่างหนึ่งคือบรรจุเซลล์สมองไว้^[21]

แมสต์เซลล์เป็นเซลล์เม็ดเลือดขาวที่ทำการเป็นส่วนของระบบภูมิคุ้มกันทางประสาท (neuroimmune system) ในสมอง^[67] โดยอยู่ในโครงสร้างต่าง ๆ มีเยื่อหุ้มสมองเป็นต้น^[67] มันอำนวยการตอบสนองของภูมิคุ้มกันในระบบประสาทต่อการอักเสบและช่วยบำรุงรักษาตัวกั้นระหว่างเลือดกับสมอง (BBB) โดยเฉพาะในบริเวณสมองที่ไม่มี BBB^[67][68] มันทำหน้าที่ทั่วไปที่คล้ายกันทั้งในร่างกายและในระบบประสาทกลาง เช่น ก่อและควบคุมการตอบสนองเป็นอาการแพ้ ตอบสนองทางภูมิคุ้มกันทั้งแบบโดยกำเนิดและแบบปรับตัว หน้าที่เกี่ยวกับภูมิต้านตนเองและการอักเสบ^[67] มันทำหน้าที่เป็นเซลล์ปฏิบัติงาน (effector cell) หลัก^[R] ที่ทำให้จุลชีพก่อโรคมีผลต่อการส่งสัญญาณทางเคมีชีวภาพระหว่างทางเดินอาหารกับระบบประสาทกลางได้^[S][69][70]

ยีนประมาณ 400 ยีนพบเฉพาะแต่ในสมอง เซลล์ประสาททั้งหมดแสดงออกยีน ELAVL3 เซลล์พีระมิดแสดงออกยีน NRGN และ REEP2 อินเตอร์นิวรอนแสดงออกยีน GAD1 ซึ่งจำเป็นในชีวสังเคราะห์ของสารสื่อประสาทกาบา โปรตีนที่เซลล์เกลียแสดงออกรวมโปรตีนที่ใช้เป็นตัวบ่งชี้แอสโทรไซต์คือ GFAP และ S100B โอลิโกเดนโดรไซต์แสดงออกโปรตีน MBP และแสดงออก transcription factor คือ OLIG2^[71]

น้ำหล่อสมองไขสันหลัง (cerebrospinal fluid ตัวย่อ CSF) เป็นน้ำ transcellular fluid^[T] ที่ไหลเวียนรอบสมองในช่องใต้เยื่ออะแร็กนอยด์ (subarachnoid space) ในระบบโพรงสมอง และในช่องกลาง (central canal)^[U] ของไขสันหลัง และยังมีอยู่ในช่องใต้เยื่ออะแร็กนอยด์ (subarachnoid space) ที่เรียกว่า subarachnoid cisterns^[H] อีกด้วย^[73] โพรงสมองทั้งสี่ คือโพรงสมองข้างทั้งคู่ โพรงสมองที่สาม และโพรงสมองที่สี่ล้วนมีข่ายหลอดเลือดสมอง (choroid plexus) ที่ผลิตน้ำหล่อสมองไขสันหลัง^[74]

โพรงสมองที่สามอยู่ที่แนวกลาง (midline) และเชื่อมกับโพรงสมองข้างด้วยช่องระหว่างโพรงสมองคือ interventricular foramina^[73] ท่อเดี่ยวคือ cerebral aqueduct ที่อยู่ระหว่างพอนส์กับสมองน้อย เชื่อมโพรงสมองที่สามกับที่สี่^[75] ช่องสามช่อง คือรูด้านใน (medial aperture) และรูด้านข้าง (lateral aperture) สองข้าง ระบาย CFS ออกจากโพรงสมองที่สี่เข้าไปใน cisterna magna ซึ่งเป็น cistern หลักอันหนึ่ง จากจุดนี้ CSF จะไหลเวียนรอบสมองและไขสันหลังในช่องใต้เยื่ออะแร็กนอยด์ซึ่งอยู่ระหว่างเยื่ออะแร็กนอยด์กับเยื่อเพีย^[73] ณ ขณะใดขณะหนึ่ง จะมี CSF ประมาณ 150 มล. โดยมากภายในช่องใต้เยื่ออะแร็กนอยด์ CSF จะสร้างใหม่และดูดคืนอยู่ตลอดเวลาโดยจะเปลี่ยนใหม่ทั้งหมดทุก ๆ 5-6 ชม.^[73]

ระบบระบายน้ำเหลืองในสมองเรียกว่า glymphatic system (ระบบน้ำเหลืองในประสาท)^{[V][77][78][79]} ทางเดินของระบบน้ำเหลืองในประสาททั่วสมองรวมทางระบายน้ำของ CSF และหลอดน้ำเหลืองในเยื่อสมอง (meningeal lymphatic vessel)^[W] ซึ่งวิ่งขนานไปกับโพรงหลอดเลือดดำในเยื่อดูรา (dural sinus)^[X] กับหลอดเลือดสมอง^[83][84] ระบบนี้ระบายสารน้ำแทรกจากเนื้อเยื่อในสมอง^[84]

หลอดเลือดแดง internal carotid arteries^[Y] ส่งเลือดซึ่งมีออกซิเจนไปที่ด้านหน้าของสมอง ส่วนหลอดเลือดแดง vertebral arteries ส่งเลือดไปที่ด้านหลัง^[85] หลอดเลือดสองส่วนนี้มาบรรจบกันที่ circle of Willis อันเป็นวงแหวนเชื่อมหลอดเลือดแดงซึ่งอยู่ในช่อง interpeduncular cistern^[Z] ระหว่างสมองส่วนกลางกับพอนส์^[86]

หลอดเลือดแดง internal carotid arteries เป็นสาขาของ common carotid arteries ซึ่งเข้าไปในกระดูกหุ้มสมองผ่านช่องแครอทิด (carotid canal)^[AA] วิ่งผ่านโพรงหลอดเลือดดำใต้ฐานสมอง (cavernous sinus) แล้วเข้าไปในช่องใต้เยื่ออะแร็กนอยด์^[87] ต่อจากนั้นเข้าไปใน circle of Willis แล้วแตกสาขาออกมาเป็น anterior cerebral arteries สองเส้น ทั้งสองเส้นวิ่งมาทางด้านหน้าแล้วขึ้นไปตามร่องตามยาว (longitudinal fissure) ซึ่งส่งเลือดไปที่ด้านหน้าและแนวกลาง (midline) ของสมอง^[88] เส้นเลือดเล็กคือ anterior communicating artery หนึ่งเส้นหรือมากกว่านั้นจะเป็นตัวเชื่อม anterior cerebral artery สองเส้นหลังจากที่แยกออกเป็นสาขาไม่นาน^[88] ส่วนเส้นเลือดหลักคือ internal carotid artery ก็จะมุ่งหน้าต่อไปโดยเรียกว่า middle cerebral artery และวิ่งไปทางด้านข้างตามกระดูกสฟีนอยด์ของเบ้าตา ขึ้นไปถึงคอร์เทกซ์อินซูลา แล้วแตกออกเป็นสาขาสุดท้าย ๆ โดยตลอดเส้นก็มีสาขาแตกออกไป ๆ ด้วย^[87]

เส้นเลือดแดง vertebral artery เป็นสาขาที่แตกออกจากเส้นเลือดแดง subclavian artery ทั้งทางกายซีกซ้ายและซีกขวา แล้วขึ้นผ่านช่องตามขวาง (transverse foramina)^[AB] ของกระดูกคอ (cervical vertebrae) 6 ข้อ แล้วเข้าไปในโพรงกะโหลกผ่านช่องฟอราเมนแมกนัม แต่ละเส้นจะอยู่ทางข้างของตน ๆ ข้างก้านสมองส่วนท้าย (เมดัลลา) แต่ละข้างจะแตกสาขาเป็นเส้นเลือดสาขาหนึ่งใน 3 สาขาที่ส่งไปเลี้ยงสมองน้อย คือ posterior inferior cerebellar artery เส้นเลือด vertebral artery จากสองข้างจะเชื่อมกันทางด้านหน้าตรงกลางของเมดัลลากลายเป็นเส้นเลือด basilar artery ซึ่งส่งสาขาต่าง ๆ ไปเลี้ยงเมดัลลาและพอนส์ และส่งสาขาอีกสองสาขา คือ anterior inferior cerebellar artery และ superior cerebellar artery ไปเลี้ยงสมองน้อย^[89] ในที่สุด basilar artery จะแยกออกเป็น posterior cerebral artery สองเส้น ซึ่งวิ่งตัดออกไปทางด้านข้าง วนข้าง superior cerebellar peduncle^[AC] ไปตามส่วนบนของ cerebellar tentorium^[AD] แล้วแตกสาขาส่งเไปเลี้ยงสมองกลีบขมับและกลีบท้ายทอย^[89] posterior cerebral artery แต่ละเส้นจะส่งสาขา posterior communicating artery ไปเชื่อมกับ internal carotid artery

เส้นเลือดดำ cerebral vein ระบายเลือดที่ไม่มีออกซิเจนออกจากสมอง สมองมีเครือข่ายเส้นเลือดดำหลัก ๆ สองเครือข่าย คือ superior cerebral veins^[AE] ที่ผิวของสมองใหญ่ซึ่งมีสาขา 3 สาขา และ internal cerebral veins เครือข่ายทั้งสองมีเส้นเลือดดำที่เชื่อมกัน^[AF][90] เส้นเลือดดำต่าง ๆ ในสมองระบายเลือดลงในโพรงหลอดเลือดดำในเยื่อดูรา^[X] ที่ใหญ่กว่า ซึ่งปกติอยู่ระหว่างชั้นของเยื่อดูราที่ปกคลุมกะโหลกอยู่^[91] เลือดจากสมองน้อยและสมองส่วนกลางระบายลงใน great cerebral vein ส่วนเลือดจากก้านสมองส่วนท้ายและพอนส์ระบายลงในที่ต่าง ๆ กัน คืออาจลงที่ spinal vein หรือ ใน cerebral vein ที่อยู่ติดกัน^[90]

เลือดในส่วนลึกของสมองระบายผ่าน venous plexus ลงในโพรงหลอดเลือดดำใต้ฐานสมอง (cavernous sinus) ด้านหน้า, ลงในโพรง superior petrosal sinus กับ inferior petrosal sinus ด้านข้าง และลงในโพรง inferior sagittal sinus ด้านหลัง^[91] เลือดในส่วนนอกของสมองระบายลงในโพรงใหญ่คือ superior sagittal sinus ซึ่งอยู่ที่แนวกลาง (midline) เหนือสมอง เลือดจากโพรงนี้รวมเข้ากับเลือดในโพรง straight sinus ณ confluence of sinuses^[AG][91]

เลือดจากจุดนี้ระบายลงในโพรง transverse sinus ทางซ้ายและขวา^[91] แล้วระบายลงในโพรง sigmoid sinus ซึ่งได้เลือดจากโพรงหลอดเลือดดำใต้ฐานสมอง, superior petrosal sinus และ inferior petrosal sinus โดย sigmoid sinus ก็ระบายลงในหลอดเลือดดำใหญ่ คือ internal jugular vein^[A] ต่อไป^[91][90]

เส้นเลือดแดงที่ใหญ่กว่าในสมองล้วนส่งเลือดให้กับหลอดเลือดฝอยที่เล็กกว่า หลอดเลือดเล็กสุดในสมองเหล่านี้ บุด้วยเซลล์ที่ยึดติดกันด้วยไทต์จังก์ชัน ดังนั้น น้ำจึงไม่สามารถซึมหรือรั่วออกในระดับเดียวกับที่เกิดในหลอดเลือดฝอยที่อื่น ๆ นี่เรียกว่า ตัวกั้นระหว่างเลือดกับสมอง (BBB)^[68] เซลล์บุเส้นเลือดฝอยคือ pericyte^[AH] มีบทบาทสำคัญในการสร้างไทต์จังก์ชัน^[93] แม้ BBB จะไม่ให้โมเลกุลขนาดใหญ่ซึมผ่าน แต่ก็ยังให้น้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ ออกซิเจน และสารละลายในไขมัน (รวมทั้งยาระงับความรู้สึกและแอลกอฮอล์) ซึมผ่านได้โดยมาก^[68] BBB ไม่มีที่ circumventricular organs^[F] ซึ่งเป็นโครงสร้างต่าง ๆ ในสมองที่ต้องตอบสนองต่อความเปลี่ยนแปลงทางเคมีของน้ำในร่างกาย เช่น ต่อมไพเนียล, area postrema^[AI] และบางส่วนของไฮโปทาลามัส^[68] มีตั้วกั้นระหว่างเลือดกับน้ำหล่อสมองไขสันหลัง (blood-CSF barrier)^[AJ] ที่ทำหน้าที่คล้าย BBB แต่อำนวยการขนส่งสารที่ต่างกันเข้าไปในสมองได้เพราะมีลักษณะโครงสร้างที่ต่างกัน^[68][94]

ในพัฒนาการต้นสัปดาห์ที่ 3 เอ็กโทเดิร์มของตัวอ่อนมนุษย์จะกลายเป็นแผ่นยาวหนาที่เรียกว่าแผ่นประสาท (neural plate)^[96] ในสัปดาห์ที่ 4 แผ่นประสาทจะขยายกว้างขึ้นให้มีปลายทางหัว (cephalic end) ที่กว้างสุด ตรงกลางที่กว้างน้อยลง และปลายทางหาง (caudal end) ที่แคบ ปุ่มเหล่านี้เรียกว่า primary brain vesicles เป็นจุดเริ่มต้นของสมองส่วนหน้า สมองส่วนกลาง และสมองส่วนหลัง (hindbrain)^[97]

เซลล์สันประสาท (neural crest) ซึ่งแผลงมาจากเอ็กโทเดิร์ม จะอยู่ตามขอบข้าง (lateral) ของแผ่นประสาท ในสัปดาห์ที่ 4 ช่วงระยะการพับตัว (neurulation) ส่วนทบประสาท (neural fold) ซึ่งมีเซลล์สันประสาท จะทบปิดกลายเป็นท่อประสาท (neural tube) ซึ่งทำให้เซลล์สันประสาทมาบรรจบกันที่ยอด^[98] เซลล์สันประสาทจะวิ่งยาวตลอดท่อประสาทเป็นเซลล์ cranial neural crest cell ที่ปลายทางหัว และเป็นเซลล์ caudal neural crest cell ที่ปลายทางหาง ต่อมาเซลล์จะแยกออกจากสันแล้วย้ายที่ในกระบวนการ cell migration ในรูปแบบจากหัวไปถึงหาง (craniocaudal) ภายในท่อประสาท^[98] เซลล์ที่ปลายหัวจะกลายเป็นสมอง และเซลล์ที่ปลายหางจะกลายเป็นไขสันหลัง^[99]

ท่อประสาทจะงอเมื่อเจริญขึ้น กลายเป็นซีกสมองรูปพระจันทร์เสี้ยวทางหัว ซีกสมองจะปรากฏในวันที่ 32^[100] ในต้นสัปดาห์ที่สี่ ปลายศีรษะจะงอไปข้างหน้ามาก เป็นเหตุการณ์ที่เรียกว่า cephalic flexure^[98] ส่วนที่งอไปด้านหน้าจะกลายเป็นสมองส่วนหน้า (prosencephalon) ส่วนโค้งจะกลายเป็นสมองส่วนกลาง (mesencephalon) และส่วนต่อจากส่วนโค้งจะกลายเป็นสมองส่วนหลัง (rhombencephalon) เป็นปุ่มสามปุ่มที่เรียกว่า three primitive vesicles ในสัปดาห์ที่ 5 นี่จะกลายเป็นปุ่ม 5 ปุ่ม (five brain vesicles)^[101] คือสมองส่วนหน้าจะแตกออกเป็นสองปุ่ม คือ telencephalon ข้างหน้าและ diencephalon ข้างหลัง โดย telencephalon จะกลายเป็นเปลือกสมอง, basal ganglia และโครงสร้างที่สัมพันธ์กันอื่น ๆ ส่วน diencephalon จะกลายเป็นทาลามัสและไฮโปทาลามัส สมองส่วนหลังก็แยกออกเป็นสองส่วนเช่นกัน คือ metencephalon และ myelencephalon โดย metencephalon จะกลายเป็นสมองน้อยและพอนส์ ส่วน myelencephalon จะกลายเป็นก้านสมองส่วนท้าย^[102] ในช่วงสัปดาห์ที่ 5 เช่นกัน สมองจะแบ่งออกเป็นปล้องซ้ำ ๆ (ในกระบวนการ segmentation) ที่เรียกว่า neuromere^[97][103] ในสมองส่วนหลัง นี่เรียกว่า rhombomere^[104]

ลักษณะเฉพาะของสมองอย่างหนึ่งก็คือการพับเปลือกที่เรียกว่า gyrification (การพับเปลือกกลายเป็นรอยนูน) ในพัฒนาการช่วงต้น ๆ เปลือกจะเรียบ แต่เมื่อถึงสัปดาห์ที่ 24 สัณฐานย่น ๆ เป็นร่องต่าง ๆ ซึ่งแยกกลีบสมองก็ชัดแล้ว^[105]

กระบวนการ gyrification ทำให้สามารถมีผิวเปลือกสมองที่ใหญ่กว่า และดังนั้น จึงสามารถทำหน้าที่ทางประชานมากกว่าในสมองปริมาตรเดียวกัน ประโยชน์อื่น ๆ อาจรวมการสื่อสารที่เร็วระหว่างเซลล์ประสาท^[106], การแปลผลทางประชานได้เร็ว^[107], การมีความจำใช้งานทางภาษา (verbal working memory) ที่ดีกว่า^[107] และการคลอดลูกที่ง่ายกว่า^[108][109] กลไกการพับยังไม่ชัดเจน แต่ก็มีทฤษฎีต่าง ๆ^[105] รวมทั้งการโก่งเพราะแรงกล (mechanical buckling)^[110][28] แรงตึงของแอกซอน (axonal tension)^[111] และการเจริญเติบโตที่ไม่เท่ากันของบริเวณต่าง ๆ (differential tangential expansion)^[110]

ร่องแรกที่ปรากฏในเดือนที่ 4 ก็คือร่อง lateral cerebral fossa^[100] แต่เพราะปลายทางหางของซีกสมองที่กำลังขยายตัวต้องโค้งเข้าไปทางข้างหน้าเพราะมีที่จำกัด จึงปิดร่องนี้กลายเป็นช่องที่ลึกกว่าซึ่งเรียกว่า lateral sulcus ซึ่งเป็นร่องแบ่งสมองกลีบขมับ^[100] ในเดือนที่ 6 ร่องอื่น ๆ ก็ได้เกิดแยกสมองกลีบหน้า กลีบข้าง และกลีบท้ายท้อยแล้ว^[100] ยีนในจีโนมมนุษย์ คือ ArhGAP11B อาจมีบทบาทสำคัญในกระบวนการ gyrification และ encephalization^[AL][113]

สมองตัวอ่อนมนุษย์ที่ 4.5 สัปดาห์ แสดงด้านในของสมองส่วนหน้า  สมองข้างในที่ 5 สัปดาห์  สมองมองจากแนวกลาง (midline) ที่ 3 เดือน

ระบบประสาทสั่งการมีหน้าที่เริ่มและควบคุมการเคลื่อนไหว^[114] กระแสประสาทสั่งการจะส่งไปจากสมองผ่านประสาทไปยังเซลล์ประสาทสั่งการในร่างกาย ซึ่งควบคุมการทำงานของกล้ามเนื้อ คือ ลำเส้นใยประสาท corticospinal tract จะส่งกระแสประสาทสั่งการไปจากสมอง ผ่านไขสันหลัง ไปยังลำตัวและแขนขา^[115] และประสาทสมองจะส่งกระแสประสาทเช่นเดียวกันไปยังตา ปาก และใบหน้า

การเคลื่อนไหวหยาบ ๆ เช่น การเคลื่อนที่ (locomotion) และการขยับแขนขา เริ่มจากคอร์เทกซ์สั่งการ (motor cortex) ซึ่งแบ่งเป็น 3 ส่วนคือ คอร์เทกซ์สั่งการปฐมภูมิ (primary motor cortex) ซึ่งอยู่ใน prefrontal gyrus โดยมีส่วนต่าง ๆ ที่อุทิศให้กับการเคลื่อนไหวส่วนในร่างกายโดยเฉพาะ ๆ สมองอีกสองเขตด้านหน้า (anterior) ของคอร์เทกซ์สั่งการปฐมภูมิ สนับสนุนและควบคุมการเคลื่อนไหวเช่นเดียวกัน คือ premotor area และ supplementary motor area^[116] แขนและขามีเขตประสาทขนาดใหญ่กว่าร่างกายส่วนอื่น ๆ ทำให้เคลื่อนไหวได้อย่างละเอียดกว่า โดยได้ทำภาพเป็นมนุษย์เล็กในเปลือกสมองเพื่อเทียบสัดส่วนเขตประสาทสำหรับอวัยวะต่าง ๆ ให้ดู^[116] กระแสประสาทที่เกิดจากคอร์เทกซ์สั่งการจะดำเนินไปตามลำเส้นใยประสาท corticospinal tract ผ่านด้านหน้าของเมดัลลาและข้ามไขว้ทแยงที่ medullary pyramid^[AM] แล้วดำเนินต่อไปลงไปตามไขสันหลัง โดยมากจะยุติเชื่อมกับอินเตอร์นิวรอน ซึ่งก็จะเชื่อมกับเซลล์ประสาทสั่งการล่างภายในเนื้อเทา เซลล์ประสาทสั่งการจะส่งกระแสประสาทเพื่อให้กล้ามเนื้อหดเกร็งโดยตรง^[115]

สมองน้อยและ basal ganglia มีบทบาทในการเคลื่อนไหวที่ละเอียด ซับซ้อน และต้องทำอย่างประสาน^[117] การเชื่อมต่อกันระหว่างเปลือกสมองกับ basal ganglia จำเป็นในการควบคุมความตึงกล้ามเนื้อ ท่าทาง การเริ่มการเคลื่อนไหว เป็นส่วนที่เรียกว่า extrapyramidal system (ระบบประสาทสั่งการนอกพีระมิด)^[118]

ระบบประสาทรับความรู้สึกมีบทบาทรับและแปลผลข้อมูลทางประสาทสัมผัส ข้อมูลได้มาจากประสาทสมอง จากลำเส้นใยประสาทในไขสันหลัง และโดยตรงจากศูนย์ในสมอง^[F] ที่ถูกกับระบบเลือดโดยตรง^[119] สมองยังได้รับและแปลผลข้อมูลจากประสาทสัมผัสพิเศษคือการเห็น การได้กลิ่น การได้ยิน และการลิ้มรส การทำงานของประสาทสั่งการและประสาทรับความรู้สึกจะประสานกัน^[119]

สมองได้รับข้อมูลจากผิวหนังเกี่ยวกับสัมผัสละเอียด แรงดัน ความเจ็บปวด แรงสั่น และอุณหภูมิ ได้รับข้อมูลจากข้อต่อเกี่ยวกับตำแหน่งของข้อต่อ^[120] คอร์เทกซ์รับความรู้สึกอยู่ใกล้ ๆ กับคอร์เทกซ์สั่งการ และเหมือนกับคอร์เทกซ์สั่งการ มันก็มีบริเวณต่าง ๆ ที่รับความรู้สึกจากส่วนต่าง ๆ ของร่างกายโดยเฉพาะ ๆ ความรู้สึกที่ตัวรับความรู้สึกได้รับที่ผิวหนังจะเปลี่ยนเป็นกระแสประสาท แล้วส่งมาตามเซลล์ประสาทเป็นลำดับภายในลำเส้นใยประสาทของไขสันหลัง วิถีประสาท dorsal column-medial lemniscus pathway ส่งข้อมูลเกี่ยวกับสัมผัสละเอียด แรงสั่น และตำแหน่งข้อต่อ แอกซอนของเซลล์ประสาทจะดำเนินไปที่ด้านหลังของไขสันหลัง แล้วดำเนินต่อทางด้านหลังของก้านสมองส่วนท้าย เป็นที่ที่มันเชื่อมกับเซลล์ประสาทลำดับที่สองซึ่งส่งแอกซอนไปยังสมองซีกตรงข้าม โดยขึ้นไปสู่นิวเคลียสประสาทส่งต่อคือ ventrobasal complex ในทาลามัส เป็นที่ที่มันเชื่อมกับเซลล์ประสาทลำดับที่สาม ซึ่งส่งแอกซอนขึ้นไปยังคอร์เทกซ์รับความรู้สึก^[120]

ส่วนลำเส้นใยประสาท spinothalamic tract ส่งข้อมูลเกี่ยวกับความเจ็บปวด อุณหภูมิ และสัมผัสหยาบ แอกซอนของเซลล์ประสาทจะส่งเข้าไปสู่ไขสันหลัง แล้วดำเนินต่อขึ้นไปเชื่อมกับเซลล์ประสาทลำดับที่สองใน reticular formation ของก้านสมองสำหรับความเจ็บปวดและอุณหภูมิ โดยส่งข้อมูลสัมผัสหยาบไปยังนิวเคลียสประสาทส่งต่อคือ ventrobasal complex ในทาลามัสด้วย^[121]

การเห็นเกิดเริ่มจากแสงที่มากระทบจอตา เซลล์รับแสงในจอตาจะถ่ายโอนสิ่งเร้าทางตาคือแสงให้เป็นกระแสประสาทแล้วส่งไปยังเปลือกสมองส่วนการเห็นที่สมองกลีบท้ายทอย ข้อมูลทางตาออกจากจอตาผ่านประสาทตา (optic nerve) ใยประสาทตาจากครึ่งจอตาด้านจมูกจะข้ามไปยังด้านตรงข้ามผ่านส่วนไขว้ประสาทตา (optic chiasm) ไปรวมกับใยประสาทจากครึ่งจอตาด้านขมับซีกตรงข้ามกลายเป็นลำเส้นใยประสาทตา (optic tract) การจัดระเบียบทางแสงของตาและวิถีประสาทที่เป็นเช่นนี้จึงหมายความว่า สิ่งที่เห็นในลานสายตาด้ายซ้ายจะตกลงที่จอตาด้านขวาโดยเปลือกสมองส่วนการเห็นด้านขวาเป็นตัวแปลผล และนัยตรงข้ามก็เช่นเดียวกัน ลำเส้นใยประสาทตาจะเข้าไปสุดที่นิวเคลียส lateral geniculate nucleus ในสมอง ซึ่งก็จะส่งใยประสาทผ่านส่วนแผ่ประสาทตา (optic radiation) ไปยังเปลือกสมองส่วนการเห็น^[122]

การได้ยินและการกำหนดรู้การทรงตัวเริ่มมาจากหูชั้นใน เสียงก่อแรงสั่นในกระดูกหู ซึ่งดำเนินต่อไปจนถึงอวัยวะการได้ยิน ส่วนการเปลี่ยนแปลงดุลในร่างกายทำให้น้ำในหูชั้นในเคลื่อน สิ่งเร้าทั้งสองอย่างนี้สร้างกระแสประสาทที่ส่งไปทางประสาทหู (vestibulocochlear nerve) แล้วผ่านไปถึง cochlear nuclei, superior olivary nucleus, medial geniculate nucleus และในที่สุดผ่านส่วนแผ่ประสาทหู (acoustic radiation) ไปยังคอร์เทกซ์ส่วนการได้ยิน (auditory cortex)^[123]

การได้กลิ่นเริ่มจากเซลล์รับกลิ่นในเยื่อบุผิวของเยื่อเมือกรับกลิ่น (olfactory mucosa) ในช่องจมูก ซึ่งส่งกระแสแประสาทผ่านประสาทรับกลิ่นที่วิ่งผ่านแผ่นกระดูกพรุน (cribiform plate) เหนือโพรงจมูก ประสาทรับกลิ่นส่งข้อมูลไปที่ป่องรู้กลิ่น (olfactory bulb) ซึ่งก็จะส่งข้อมูลไปสุดที่เปลือกสมองส่วนรู้กลิ่นในที่สุด^[124][125]

การรู้รสเริ่มมาจากหน่วยรับรสที่ลิ้นซึ่งส่งกระแสประสาทผ่านเส้นประสาทเฟเชียลและเส้นประสาทลิ้นคอหอย (glossopharyngeal nerve) เข้าไปที่นิวเคลียส solitary nucleus (NST) ในก้านสมอง ข้อมูลรสบางส่วนเช่นจากที่คอหอยก็ส่งไปยังที่เดียวกันผ่านเส้นประสาทเวกัส (vagus nerve) ด้วย ส่วน NST จะส่งข้อมูลรสผ่านทาลามัสต่อไปที่เปลือกสมองส่วนรู้รส (gustatory cortex)^[126]

หน้าที่ของระบบประสาทอิสระรวมทั้งการควบคุมการทำงานของอัตราการเต้นของหัวใจกับอัตราการหายใจ และรักษาภาวะธำรงดุล

ศูนย์ปรับขนาดหลอดเลือดที่ก้านสมองส่วนท้าย (หรือเมดัลลา) มีอิทธิพลต่อความดันโลหิตและอัตราการเต้นหัวใจ โดยทำให้หลอดเลือดแดงและดำตีบเมื่อกำลังพักอยู่ ทำการโดยส่งกระแสประสาทผ่านเส้นประสาทเวกัสไปยังระบบประสาทซิมพาเทติกและซิมพาเทติก^[127] ตัวรับรับรู้ความดัน (baroreceptor) ที่ aortic body ในเอออร์ติกอาร์ช (aortic arch) รับรู้ความดันโลหิตแล้วส่งข้อมูลไปยังสมองผ่านใยประสาทนำเข้า general visceral afferent fibers ของเส้นประสาทเวกัส ส่วนข้อมูลความเปลี่ยนแปลงความดันในโพรงเลือดแครอทิด (carotid sinus) มาจากต่อมแครอทิด (carotid body) ที่อยู่ใกล้ ๆ หลอดเลือดแดงแครอทิด (carotid artery) โดยส่งผ่านประสาท Hering's nerve ที่รวมเข้ากับเส้นประสาทลิ้นคอหอย และส่งไปยังนิวเคลียส solitary nucleus (NST) ในก้านสมองส่วนท้าย กระแสประสาทจาก NST จะทำให้ศูนย์ปรับขนาดหลอดเลือดปรับขนาดเส้นเลือดแดงและดำตามสมควร^[128]

สมองควบคุมอัตราการหายใจโดยหลักด้วยศูนย์การหายใจในก้านสมองส่วนท้ายและพอนส์^[129] ศูนย์ควบคุมการหายใจโดยส่งกระแสประสาทสั่งการลงไปที่ไขสันหลัง ผ่านเส้นประสาทกะบังลม (phrenic nerve) ไปยังกะบังลมและกล้ามเนื้อหายใจอื่น ๆ เส้นประสาทนี้เป็นแบบผสมเพราะส่งข้อมูลความรู้สึกกลับไปยังระบบประสาทกลางด้วย มีศูนย์การหายใจ 4 ศูนย์ 3 ศูนย์มีหน้าที่ที่ชัดเจน ศูนย์ "apneustic centre" มีหน้าที่ยังไม่ชัดเจน ในเมดัลลา ศูนย์ "dorsal respiratory group" ก่อความต้องการให้หายใจเข้าและได้รับข้อมูลความรู้สึกโดยตรงจากร่างกาย ในเมดัลลาอีกเช่นกัน ศูนย์ "ventral respiratory group" มีอิทธิพลในการหายใจออกเมื่อต้องออกแรง ในพอนส์ ศูนย์ "pneumotaxic centre" มีอิทธิพลต่อความยาวสั้นของลมหายใจ^[129] และศูนย์ apneustic centre ดูเหมือนจะมีอิทธิพลต่อการหายใจเข้า

แม้ศูนย์การหายใจเหล่านี้สามารถรับรู้คาร์บอนไดออกไซด์และความเป็นกรดของเลือดได้โดยตรง แต่ตัวรับรู้สารเคมีนอกส่วนกลาง (peripheral chemoreceptor) ที่ผนังหลอดเลือดแดงใน aortic body และ carotid body ก็รับรู้ข้อมูลเกี่ยวกับออกซิเจน คาร์บอนไดออกไซด์ และความเป็นกรดของเลือดด้วย แล้วส่งข้อมูลผ่านเส้นประสาทเวกัสและเส้นประสาทลิ้นคอหอยไปยังศูนย์การหายใจ การมีคาร์บอนไดออกไซด์สูง มีความเป็นกรดสูง มีออกซิเจนน้อย จะกระตุ้นการทำงานของศูนย์การหายใจ^[129] ความต้องการจะหายใจเข้ายังได้รับอิทธิพลจากตัวรับแรงยืดในปอด (pulmonary stretch receptor) ซึ่งเมื่อทำงาน จะป้องกันไม่ให้ปอดหายใจเข้าเกินโดยส่งข้อมูลไปยังศูนย์การหายใจผ่านเส้นประสาทเวกัส^[129]

ไฮโปทาลามัสใน diencephalon มีหน้าที่ควบคุมการทำงานในระบบต่าง ๆ ของร่างกาย รวมทั้งหน้าที่ทางประสาทร่วมต่อมไร้ท่อ (neuroendocrine) การทำงานตามจังหวะรอบวัน (circadian rhythm) ระบบประสาทอิสระ และควบคุมการทานอาหารและดื่มน้ำ กลุ่มเซลล์สองกลุ่มหลัก ๆ ในไฮโปทาลามัสส่วนหน้า (anterior) เป็นตัวควบคุมจังหวะรอบวัน รวมทั้งนิวเคลียส suprachiasmatic nucleus และ ventrolateral preoptic nucleus ซึ่งมีวัฏจักรการแสดงออกของยีนที่เป็นเหมือนกับนาฬิการอบ 24 ชม. รูปแบบการนอนหลับจะเป็นไปตามจังหวะอัลตราเดียน (ultradian rhythm)^[AN] การนอนหลับเป็นเรื่องจำเป็นสำหรับร่างกายและสมองเพื่อให้ระบบต่าง ๆ ได้หยุดพักทำงาน มีงานศึกษาที่พบว่า พิษที่สะสมในสมองแต่ละวันจะขจัดออกในช่วงนอนหลับ^[130] เมื่อตื่นอยู่ สมองใช้พลังงานประมาณ 20% ของร่างกาย การนอนหลับก็จะลดการใช้พลังงานเช่นนี้ ช่วยให้ฟื้นคืนสภาพเอทีพีที่ใช้เก็บพลังงาน ผลที่พบในภาวะขาดนอนได้แสดงความจำเป็นอย่างยิ่งของการนอนหลับ^[131]

ไฮโปทาลามัสด้านข้าง (lateral hypothalamus) มีเซลล์ประสาทที่ใช้ orexin เป็นสารสื่อประสาท ซึ่งควบคุมความอยากอาหารและความตื่นตัวด้วยกระแสประสาทที่ส่งไปยัง ascending reticular activating system (ARAS)^[132][133] ไฮโปทาลามัสควบคุมต่อมใต้สมองด้วยการหลั่งเพปไทด์ เช่น ออกซิโตซิน, vasopressin และโดพามีนไปยัง median eminence ที่ด้านล่างของไฮโปทาลามัส ไฮโปทาลามัสมีบทบาทควบคุมหน้าที่ทางระบบประสาทอิสระต่าง ๆ รวมทั้งความดันเลือด อัตราการเต้นของหัวใจ การหายใจ การขับเหงื่อ และกลไกของภาวะธำรงดุลอื่น ๆ^[134] มีบทบาทควบคุมอุณหภูมิร่างกาย และเมื่อได้การกระตุ้นจากระบบภูมิคุ้มกันก็ก่อไข้ได้ ไตมีอิทธิพลต่อไฮโปทาลามัส คือเมื่อความดันโลหิตลดลง ไตก็จะหลั่งโปรตีนคือ renin ซึ่งกระตุ้นให้ไฮโปทาลามัสก่อรีเฟล็กซ์การดื่มน้ำ ไฮโปทาลามัสยังควบคุมการทานอาหารโดยส่งกระแสประสาทเป็นส่วนของระบบประสาทอิสระ และควบคุมการปล่อยฮอร์โมนของระบบย่อยอาหาร^[135]

แม้หน้าที่ทางภาษาดั้งเดิมเชื่อว่าจำกัดอยู่กับบริเวณสมองคือ Wernicke's area และ Broca's area^[136] แต่ปัจจุบันโดยมากเชื่อว่า มีเครือข่ายที่กว้างขวางกว่านั้นในเปลือกสมองซึ่งมีหน้าที่เกี่ยวกับภาษา^{[137][138][139]}

การศึกษาว่า สมองทำงานเก็บรายละเอียดเกี่ยวกับภาษา แปลผล และเรียนรู้ภาษาแม่ได้อย่างไร เป็นสาขาที่เรียกว่า ภาษาศาสตร์ประสาทวิทยา (neurolinguistics) เป็นสาขาใหญ่อาศัยความรู้จากสาขาอื่น ๆ รวมทั้งประสาทวิทยาศาสตร์ปริชาน (cognitive neuroscience), ภาษาศาสตร์ปริชาน (cognitive linguistics) และภาษาศาสตร์จิตวิทยา (psycholinguistics)^[140]

สมองใหญ่ปกติทำงานแบบคู่กันสองข้าง แต่ละซีกสมองมีปฏิสัมพันธ์โดยหลักกับร่างกายครึ่งหนึ่ง สมองซีกซ้ายมีกับร่างกายซีกขวา และนัยกลับกันก็เช่นกัน เหตุที่ให้พัฒนาการเป็นแบบนี้ไม่ชัดเจน^[141] ใยประสาทสั่งการจากสมองไปยังไขสันหลัง และใยประสาทรับความรู้สึกจากไขสันหลังมายังสมอง ล้วนแต่ไขว้ทแยงข้ามซีกในก้านสมอง ส่วนข้อมูลทางตามีหลักเกณฑ์ที่ซับซ้อนกว่า คือประสาทตาจากตาทั้งสองส่งไปยังส่วนไขว้ประสาทตา (optic chiasm) ใยประสาทครึ่งหนึ่งจากซีกหนึ่งจะไขว้ทแยงข้ามซีกไปรวมกับใยประสาทครึ่งหนึ่งของอีกซีกหนึ่ง^[142] ผลก็คือเส้นประสาทจากครึ่งซ้ายของตาทั้งสองตา (ซึ่งได้ภาพลานสายตาขวา) จะส่งไปที่สมองทางซ้าย ส่วนเส้นประสาทจากครึ่งขวาของจอตา (ซึ่งได้ภาพลานสายตาซ้าย) จะส่งไปที่สมองซีกขวา^[143] เพราะจอตาแต่ละครึ่งได้รับแสงที่มาจากลานสายตาทางครึ่งตรงข้าม ผลก็คือข้อมูลการเห็นที่มาจากโลกกึ่งซ้ายจะส่งไปที่สมองกึ่งขวา โดยนัยตรงข้ามก็เช่นเดียวกัน^[141] ดังนั้น สมองซีกขวาได้รับข้อมูลความรู้สึกจากร่างกายซีกซ้าย และก็ได้ข้อมูลสายตาจากลานสายตาซีกซ้ายด้วย^[144][145]

แม้สมองซีกซ้ายและขวาจะดูสมมาตรกัน แต่ก็ทำหน้าที่ไม่สมมาตรกัน^[146] หน้าที่บางอย่างอาจคล้ายกัน เช่น เขตประสาทสั่งการของสมองซีกซ้ายควบคุมมือขวา ในขณะที่เขตทางสมองซีกขวาก็ควบคุมมือซ้าย แต่หน้าที่สำคัญบางอย่างก็ต่างกัน รวมทั้งภาษาและการแปลผลทางปริภูมิ (spatial cognition) คือ สมองกลีบหน้าซ้ายเป็นหลักในการใช้ภาษา ถ้าเขตสำคัญทางภาษาในสมองซีกซ้ายเสียหาย อาจทำให้คนไข้ไม่สามารถพูดหรือเข้าใจภาษา^[146] เทียบกับความเสียหายคล้าย ๆ กันในสมองซีกขวา ซึ่งก่อปัญหาทางทักษะภาษาเพียงเล็กน้อยเท่านั้น

ความรู้ปัจจุบันส่วนสำคัญในเรื่องปฏิสัมพันธ์ระหว่างซีกสมองทั้งสองข้างมาจากคนไข้ที่สมองทั้งสอง "แยกจากกัน" (split-brain) เช่น คนไข้โรคลมชักที่ผ่าคอร์ปัสคาโลซัมออกเพื่อพยายามลดความรุนแรงของการชัก^[147] คนไข้เช่นนี้ไม่มีพฤติกรรมผิดปกติที่ปรากฏชัด แต่บางคนก็อาจจะทำอะไรเหมือนมีคนสองคนในกายเดียวกัน เช่น มือขวาทำการอย่างหนึ่ง แต่มือซ้ายก็กลับไปแก้มันออก^[147][148] เมื่อแสดงรูปที่อยู่ทางขวาของจุดตรึงตา ก็สามารถอธิบายมันด้วยคำพูด แต่เมื่อแสดงรูปทางด้านซ้าย กลับไม่สามารถอธิบายมัน แต่อาจระบุอะไรบางอย่างเกี่ยวกับรูปด้วยมือซ้าย^[148][149]

อารมณ์ทั่วไปนิยามว่าเป็นกระบวนการมีหลายองค์ประกอบ มีสองขั้นตอน คือ หาข้อมูล แล้วตามด้วยความรู้สึกในใจ การประเมิน การแสดงออก การตอบสนองของระบบประสาทอิสระ และการตอบสนองตามนิสัย^[150] ความพยายามระบุอารมณ์พื้นฐานว่าเกิดเฉพาะในสมองบางส่วนเป็นเรื่องสร้างความขัดแย้ง โดยมีงานวิจัยบางส่วนที่ไม่พบหลักฐานว่ามีตำแหน่งในสมองที่สัมพันธ์กับอารมณ์โดยเฉพาะ ๆ แต่ก็พบวงจรประสาทที่มีบทบาทในกระบวนการทางอารมณ์โดยทั่ว ๆ ไป อะมิกดะลา, orbitofrontal cortex, คอร์เทกซ์อินซูลาตรงกลาง (mid) และด้านหน้า (anterior) และ prefrontal cortex ด้านข้าง (lateral) ดูเหมือนจะมีบทบาทก่ออารมณ์ ส่วนอื่นต่าง ๆ รวมทั้ง ventral tegmental area, ventral pallidum และ nucleus accumbens มีส่วนในกระบวนการแรงจูงใจ (motivational salience)^[AO] แต่โดยมีหลักฐานที่อ่อนกว่า^[152] แต่งานอื่น ๆ ก็พบหลักฐานว่ามีบริเวณสมองโดยเฉพาะสำหรับอารมณ์ต่าง ๆ เช่น basal ganglia สำหรับความสุข, cingulate cortex ใต้คอร์ปัสคาโลซัมสำหรับความเศร้า และอะมิกดะลาสำหรับความกลัว^[153]

สมองมีหน้าที่ทางประชาน^[154][155] ซึ่งทำการผ่านกระบวนการทางประชานและ executive functions จำนวนมาก^{[155][156][157]} executive functions รวมสมรรถภาพในการกรองข้อมูล ในการไม่สนใจสิ่งเร้าที่ไม่สำคัญด้วยการควบคุมการใส่ใจ (attentional control) และการยับยั้งทางประชาน (cognitive inhibition)^[AP], สมรรถภาพในการแปลผลและดำเนินการกับข้อมูลที่อยู่ในความจำใช้งาน (working memory), สมรรถภาพในการคิดถึงแนวคิดหลายอย่างพร้อม ๆ กัน และการเปลี่ยนการใส่ใจระหว่างงานต่าง ๆ โดยไม่ต้องตั้งใจ (task switching)^[AQ] โดยเป็นส่วนของความยืดหยุ่นได้ทางประชาน (cognitive flexibility)^[AQ], สมรรถภาพในการห้ามอารมณ์ชั่ววูบ (impulse) และการตอบสนองตามนิสัย (prepotent response) ด้วยการยับยั้งการตอบสนอง (response inihibition)^[AR] และสมรรถภาพในการกำหนดข้อมูลที่สำคัญหรือการกระทำที่สมควร^[156][157]

หน้าที่ทาง executive functions ในระดับที่สูงกว่าต้องใช้กระบวนการทาง executive functions ในระดับที่ต่ำกว่าหลายกระบวนการ หน้าที่ที่สูงกว่ารวมทั้งการวางแผน การหาเหตุผล และการแก้ปัญหา^[157] prefrontal cortex มีบทบาทสำคัญในการอำนวยกระบวนการทาง executive functions ต่าง ๆ^{[155][157][161]} การวางแผนอาศัยการทำงานของส่วน dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC), anterior cingulate cortex, angular prefrontal cortex, prefrontal cortex ข้างขวา และรอยนูนซูปรามาร์จินัล^[161] การดำเนินการกับข้อมูลในความจำใช้งานอาศัยการทำงานของ DLPFC, inferior frontal gyrus และบริเวณต่าง ๆ ในสมองกลีบข้าง^[155][161] ส่วนการยับยั้งการตอบสนอง (response inhibition) อาศัยบริเวณต่าง ๆ ของ prefrontal cortex, caudate nucleus และ subthalamic nucleus โดยสองอย่างหลังเป็นส่วนของ basal ganglia^{[157][161][162]}

สมองทำงานได้อาศัยการเชื่อมต่อกันของเซลล์ประสาทเพื่อให้ส่งกระแสประสาทไปหากันและกันได้^[163] เซลล์ประสาทประกอบด้วยตัวเซลล์ แอกซอน และเดนไดรต์ เดนไดรต์บ่อยครั้งเป็นส่วนยื่นที่มีสาขาต่าง ๆ มากมาย ที่ได้รับสัญญาณ (คือสารสื่อประสาทเป็นต้น) จากปลายแอกซอนของเซลล์ประสาทอื่น ๆ สัญญาณที่ได้รับอาจทำให้เซลล์ประสาทส่งกระแสประสาทคือศักยะงาน (เป็นสัญญาณไฟฟ้าเคมี) ซึ่งส่งไปตามแอกซอนจนถึงปลาย ซึ่งก็จะเชื่อมกับเดนไดรต์หรือตัวเซลล์ของเซลล์ประสาทอื่น ๆ ศักยะงานเริ่มจากเซกเมนต์ต้น (initial segment) ของแอกซอน ซึ่งมีคอมเพล็กซ์โปรตีนพิเศษ^[164] เมื่อศักยะงานวิ่งไปถึงปลายแอกซอน ก็จะทำให้ปล่อยสารสื่อประสาทที่ไซแนปส์เป็นการส่งสัญญาณเพื่อสร้างผลที่เซลล์ประสาทเป้าหมาย^[165] สารสื่อประสาทเคมีเหล่านี้รวมทั้งโดพามีน เซโรโทนิน กาบา กลูตาเมต และ acetylcholine^[166] กาบาเป็นสารสื่อประสาทแบบยับยั้งหลักในสมอง ส่วนกลูตาเมตเป็นสารสื่อประสาทแบบเร้าหลัก^[167] เซลล์ประสาทที่เชื่อมกัน ๆ ผ่านไซแนปส์รวมกันเป็นวิถีประสาท วงจรประสาท (neural circuit) และเครือข่ายประสาทขนาดใหญ่ (large scale brain networks) เช่น ดังที่พบใน salience network และ default mode network^[AS] โดยการทำงานประสานกันเกิดจากกระบวนการส่งผ่านประสาท (neurotransmission)

สมองใช้พลังงานอาจถึง 20% ของที่ร่างกายใช้ ซึ่งมากกว่าอวัยวะอื่น ๆ^[168] ในมนุษย์ กลูโคสในเลือดเป็นแหล่งพลังงานหลักของเซลล์โดยมากและจำเป็นในการทำงานของเนื้อเยื่อต่าง ๆ รวมทั้งสมอง^[169] ในบุคคลที่อดอาหารและอยู่เฉย ๆ สมองมนุษย์ใช้กลูโคสในเลือดราว ๆ 60%^[169] เมแทบอลิซึมในสมองปกติอาศัยกลูโคสในเลือดเป็นแหล่งพลังงาน แต่ในช่วงที่กลูโคสน้อย (เช่น อดอาหาร ออกกำลังกายแบบเพิ่มความอดทน หรือกินคาร์โบไฮเดรตน้อย) สมองจะใช้คีโตนบอดีส์เป็นพลังงานโดยจำเป็นต้องได้กลูโคสน้อยกว่า สมองยังสามารถใช้แล็กเตตเมื่อกำลังออกกำลังกาย^[170] สมองสะสมกลูโคสในรูปแบบของไกลโคเจน แม้จะในปริมาณน้อยกว่าที่พบในตับหรือกล้ามเนื้อโครงร่าง^[171] กรดไขมันลูกโซ่ยาวไม่สามารถผ่านตัวกั้นระหว่างเลือดกับสมองเข้าไปได้ แต่ตับสามารถสลายกรดไขมันเช่นนั้นให้เป็นคีโตนบอดีส์ แต่กรดไขมันลูกโซ่สั้น เช่น butyric acid, propionic acid และกรดน้ำส้ม และกรดไขมันลูกโซ่กลาง เช่น octanoic acid และ heptanoic acid ก็สามารถผ่านตัวกั้นระหว่างเลือดกับสมองเข้าไปได้และเซลล์สมองก็สามารถย่อยสลายมันได้^{[172][173][174]}

แม้สมองมนุษย์จะหนักเพียง 2% ของน้ำหนักร่างกาย แต่ได้รับเลือดจากหัวใจ 15% ใช้ออกซิเจน 20% ของที่ใช้ทั้งหมดในร่างกาย และใช้กลูโคส 25% ของที่ใช้ทั้งหมดในร่างกาย^[175] สมองใช้กลูโคสเป็นพลังงานโดยมาก และการขาดกลูโคส เช่น ในภาวะเลือดมีน้ำตาลน้อย (hypoglycemia) อาจทำให้หมดสติ^[176] การใช้พลังงานของสมองไม่ต่างกันมากตามเวลา แต่เขตเปลือกสมองที่กำลังทำงานจะใช้พลังงานค่อนข้างมากกว่าเขตที่ไม่ทำ เหตุการณ์เช่นนี้เป็นมูลฐานของการสร้างภาพของสมองตามการทำงาน เช่น PET และ fMRI^[177] เทคนิคการสร้างภาพสมองโดยกิจ (functional imaging) เช่นนี้สามารถแสดงระดับเมแทบอลิซึมเป็นภาพสามมิติ^[178]

การนอนหลับมีหน้าที่อะไรยังไม่ค่อยชัดเจน แต่มีหลักฐานว่า การนอนหลับเพิ่มการขจัดของเสียทางเมแทบอลิซึมจากสมองโดยของเสียบางอย่างอาจเป็นพิษต่อประสาท และอาจทำให้ซ่อมแซมส่วนที่เสียหายได้^{[79][179][180]} หลักฐานแสดงนัยว่า การเพิ่มการขจัดของเสียทางเมแทบอลิซึมช่วงการนอนหลับเกิดผ่านการทำงานของระบบน้ำเหลืองในประสาท (glymphatic system)^[V][79] การนอนหลับอาจมีผลต่อการทำงานทางประชานโดยลดระดับการเชื่อมต่อกันทางประสาทที่ไม่จำเป็น^[181]

สมองยังไม่เข้าใจอย่างสมบูรณ์ จึงมีงานวิจัยที่กำลังเป็นไปอยู่^[182] นักประสาทวิทยาศาสตร์ บวกกับนักวิจัยในสาขาที่สัมพันธ์กันอื่น ๆ กำลังศึกษาว่าสมองทำงานอย่างไร ขอบเขตของสาขาโดยเฉพาะ ๆ เช่นของประสาทวิทยาศาสตร์ ประสาทวิทยา และสาขาอื่น ๆ รวมทั้งจิตเวชไม่ค่อยชัดเจน เพราะล้วนแต่ได้รับประโยชน์จากการวิจัยขั้นพื้นฐานในประสาทวิทยาศาสตร์

ประสาทวิทยาศาสตร์ได้ขยายตัวอย่างมากในทศวรรษที่ผ่าน ๆ มา ทศวรรษแห่งสมอง (Decade of the Brain) ซึ่งเป็นโครงการริเริ่มของรัฐบาลสหรัฐในช่วงคริสต์ทศวรรษ 1990 ถือว่าช่วยเพิ่มงานวิจัยเช่นนี้^[183] ซึ่งต่อมาติดตามด้วยโครงการ BRAIN Initiative ในปี 2013^[184] โปรเจ็กต์ Human Connectome Project เป็นโครงการศึกษา 5 ปีที่เริ่มในปี 2009 เพื่อวิเคราะห์การเชื่อมต่อกันทางกายวิภาคและทางหน้าที่ของส่วนต่าง ๆ ในสมอง ซึ่งได้ให้ข้อมูลเป็นอย่างดี^[182]

ความรู้เรื่องโครงสร้างและหน้าที่ของสมองมนุษย์มาจากวิธีการทดลองต่าง ๆ รวมทั้งที่ทำในสัตว์และมนุษย์ ข้อมูลในเรื่องการบาดเจ็บของสมองและโรคหลอดเลือดสมองได้ให้ความรู้เกี่ยวกับหน้าที่ของสมองส่วนต่าง ๆ และผลของความเสียหายต่อสมอง การสร้างภาพสมอง (neuroimaging) สามารถใช้ตรวจสมองและบันทึกการทำงาน เทคนิคทางสรีรวิทยาไฟฟ้าสามารถใช้วัด บันทึก และเฝ้าตรวจการทำงานทางไฟฟ้าของเปลือกสมอง การวัดอาจเป็นศักย์สนามไฟฟ้าเฉพาะที่ (local field potential) ของบริเวณต่าง ๆ ในเปลือกสมอง หรือของการทำงานของเซลล์ประสาทเซลล์เดียว การบันทึกคลื่นไฟฟ้าสมองสามารถบันทึกคลื่นไฟฟ้าในเปลือกสมองโดยแปะอิเล็กโทรดที่หนังศีรษะโดยไม่ต้องผ่าไม่ต้องเจาะ^[185][186] วิธีที่ต้องผ่าต้องเจาะรวม electrocorticography ซึ่งแปะอิเล็กโทรดโดยตรงที่ผิวสมองโดยผ่าเปิดกะโหลกศีรษะ เช่น ใน cortical stimulation mapping ซึ่งใช้ศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างบริเวณต่าง ๆ ของเปลือกสมองกับการทำงานเป็นระบบ^[187] ถ้าใช้ไมโครอิเล็กโทรดที่เล็กกว่ามาก ก็สามารถบันทึกการทำงานของเซลล์ประสาทเซลล์เดียว ที่ให้ทั้งรายละเอียดทั้งทางปริภูมิและทางเวลาได้ดี ซึ่งสามารถทำให้เชื่อมการทำงานของสมองกับพฤติกรรม แล้วสร้างแผนที่ประสาท^[188]

การพัฒนาอวัยวะเทียมคล้ายสมอง (cerebral organoid)^[AT] ได้เปิดโอกาสให้ศึกษาการเจริญเติบโตของสมองกับเปลือกสมอง ให้เข้าใจการเกิดโรค ซึ่งสามารถนำไปใช้เพื่อรักษาได้^[191][192]

เทคนิคการสร้างภาพประสาทโดยกิจ (functional neuroimaging) สามารแสดงการทำงานของสมองที่สัมพันธ์กับหน้าที่ของบริเวณสมองต่าง ๆ โดยเฉพาะ ๆ เทคนิคหนึ่งก็คือ fMRI ซึ่งดีกว่าเทคนิคก่อน ๆ คือ SPECT และ PET เพราะไม่จำเป็นต้องใช้สารกัมมันตภาพรังสีและให้รายละเอียดได้มากกว่า^[193] เทคนิคอีกอย่างหนึ่งก็คือ functional near-infrared spectroscopy (สเปกโทรสโกปีโดยกิจด้วยแสงใกล้รังสีอินฟราเรด) เทคนิคต่าง ๆ เหล่านี้อาศัยการตอบสนองทางการไหลเวียนของเลือด (haemodynamic response) ซึ่งแสดงการทำงานของสมองเทียบกับการเปลี่ยนแปลงการไหลเวียนของเลือด และใช้ประโยชน์เพื่อทำแผนที่การทำงานของสมอง^[194] ส่วน resting state fMRI (fMRI เมื่อขณะพัก) ตรวจดูปฏิสัมพันธ์ระหว่างสมองส่วนต่าง ๆ เมื่อไม่ได้ทำงานใด ๆ โดยเฉพาะ^[195] จึงสามารถแสดงส่วนของสมองที่เรียกว่า เครือข่ายภาวะโดยปริยาย (default mode network)^[AS] ได้ด้วย

กระแสไฟฟ้าย่อมสร้างสนามแม่เหล็กตามกฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ ดังนั้น คลื่นสมองจึงก่อสนามแม่เหล็กอ่อน ๆ และจึงสามารถสร้างภาพการทำงานของสมองอย่างละเอียดด้วยเทคนิค functional magnetoencephalography ได้^[198] ส่วน tractography ใช้ MRI บวกกับการวิเคราะห์ภาพเพื่อสร้างภาพสามมิติของลำเส้นใยประสาทในสมอง และ connectogram เป็นกราฟแสดงการเชื่อมต่อกันของส่วนต่าง ๆ ในสมอง^[199]

ความแตกต่างของโครงสร้างสมองสามารถวัดได้ในโรคบางโรค ที่เด่นสุดคือโรคจิตเภทและภาวะสมองเสื่อม การสร้างภาพโดยใช้คุณสมบัติทางชีวภาพต่าง ๆ ได้ให้ความรู้เพิ่ม เช่น โรคซึมเศร้า และโรคย้ำคิดย้ำทำ แหล่งข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับการทำงานของสมองส่วนต่าง ๆ ก็คือผลที่ได้เมื่อเกิดความเสียหาย^[200]

ความก้าวหน้าของการสร้างภาพทางประสาทได้สร้างความรู้แบบปรวิสัยในเรื่องจิตพิการต่าง ๆ ทำให้สามารถวินิจฉัยโรคได้เร็วกว่า พยากรณ์โรคได้แม่นยำกว่า และเฝ้าติดตามโรคได้ดีกว่า^[201]

ชีวสารสนเทศศาสตร์เป็นสาขาการศึกษาซึ่งรวมการสร้างและพัฒนาฐานข้อมูล และเทคนิคทางการคำนวณและทางสถิติ เพื่อใช้ศึกษาสมองมนุษย์ โดยเฉพาะในเรื่องการแสดงออกของยีนและโปรตีน ชีวสารสนเทศศาสตร์และการศึกษาทางจีโนมิกส์โดยกิจ (functional genomics) ทำให้จำเป็นต้องพัฒนาเทคนิค DNA annotation ซึ่งเป็นเทคโนโลยีเชิง transcriptome^[AU] คือการระบุยีน ตำแหน่งของยีน และหน้าที่ของยีน^{[202][203][204]} โดยมี GeneCards เป็นฐานข้อมูลสำคัญฐานหนึ่ง

จนถึงปี 2017 ได้ค้นพบยีนที่เข้ารหัสโปรตีนเกือบ 20,000 ยีนที่แสดงออกในมนุษย์^[202] ประมาณ 400 ยีนมีเฉพาะในสมอง^[205][206] ข้อมูลการแสดงออกของยีนในสมองได้สนับสนุนให้ทำงานวิจัยเกี่ยวกับโรคต่าง ๆ ได้มากขึ้น เช่น การดื่มเหล้าเป็นเวลานานพบว่า เปลี่ยนการแสดงออกของยีนในสมอง และการเปลี่ยนแปลงของเซลล์ชนิดโดยเฉพาะ ๆ ซึ่งอาจสัมพันธ์กับการติดเหล้า^[207] ความเปลี่ยนแปลงเช่นนี้ได้พบที่ transcriptome^[AU] ของไซแนปส์ที่ prefrontal cortex ซึ่งเชื่อว่าเป็นปัจจัยอย่างหนึ่งที่ทำให้ติดเหล้าและทำให้ติดสารเสพติดอื่น ๆ^[208]

งานศึกษาที่สัมพันธ์กันอื่น ๆ ได้แสดงหลักฐานว่าไซแนปส์ได้เปลี่ยนไปหรือเสียหายไปในคนชรา คือการแสดงออกของยีนได้เปลี่ยนระดับโปรตีนในวิถีประสาทต่าง ๆ ซึ่งปรากฏชัดว่า มีไซแนปส์ที่ผิดปกติหรือเสียหายไป การทำงานผิดปกตินี้พบว่า มีผลต่อโครงสร้างมากมายในสมอง และมีผลที่ชัดเจนต่อเซลล์ประสาทแบบยับยั้ง คือมีผลให้การสื่อประสาทลดลง ตามด้วยการทำงานทางประชานที่เสื่อมลงและเป็นโรค^[209][210]

ความบาดเจ็บอาจปรากฏเป็นอาการต่าง ๆ การบาดเจ็บที่สมองเช่นจากกีฬาที่กระทบกระทั่ง จากตกหรือหกล้ม จากอุบัติเหตุรถยนต์หรือในที่ทำงาน อาจสัมพันธ์กับปัญหาทั้งระยะสั้นระยะยาว ปัญหาระยะสั้นอาจรวมเลือดออกในสมอง ซึ่งกดดันเนื้อเยื่อในสมองหรือทำหลอดเลือดที่ไปเลี้ยงมันให้เสียหาย สมองอาจจะช้ำซึ่งก่อความเสียหายต่อลำเส้นใยประสาทเป็นจำนวนมาก แล้วก่อภาวะที่เรียกว่า diffuse axonal injury (การบาดเจ็บที่แอกซอนอย่างกระจาย)^[AV][214] กะโหลกศีรษะแตก, ความบาดเจ็บต่อเขตหนึ่ง ๆ โดยเฉพาะ, หูหนวก และสมองกระทบกระเทือน (concussion) ก็อาจเป็นอาการที่เกิดทันทีด้วย นอกจากบริเวณที่บาดเจ็บ สมองด้านตรงข้ามอาจเกิดปัญหาด้วย ซึ่งเรียกว่า contrecoup injury ปัญหาระยะยาวที่อาจเกิดรวมทั้งความผิดปกติที่เกิดหลังความเครียดที่สะเทือนใจ (PTSD) และภาวะโพรงสมองคั่งน้ำ ส่วนโรคสมองบาดเจ็บเรื้อรัง (chronic traumatic encephalopathy) เป็นโรคสมองเสื่อมที่แย่ลง ๆ (degenerative disease) หลังจากรับบาดเจ็บที่ศีรษะหลายครั้ง เช่นในนักกีฬา^[215]

โรคประสาทเสื่อม (neurodegenerative disease) จะทำให้สมองส่วนที่ทำหน้าที่ต่าง ๆ เสียหายขึ้นเรื่อย ๆ และจะแย่ลงตามอายุ ตัวอย่างสามัญรวมภาวะสมองเสื่อมแบบต่าง ๆ เช่น โรคอัลไซเมอร์ ภาวะสมองเสื่อมเหตุแอลกอฮอล์ ภาวะสมองเสื่อมเหตุหลอดเลือด เป็นต้น, รวมโรคพาร์คินสันกับโรคอื่น ๆ เหตุการติดเชื้อ เหตุกรรมพันธุ์ หรือเหตุเมแทบอลิซึม เช่น โรคฮันติงตัน, โรคเซลล์ประสาทสั่งการ (motor neuron disease), ภาวะสมองเสื่อมเหตุเอชไอวี, ภาวะสมองเสื่อมเหตุซิฟิลิส และ Wilson's disease โรคประสาทเสื่อมอาจมีผลต่อสมองส่วนต่าง ๆ ต่อการเคลื่อนไหว ความจำ และระบบประชาน^[216] แม้สมองจะป้องกันด้วยตัวกั้นระหว่างเลือดกับสมอง แต่ก็ยังติดเชื้อต่าง ๆ ได้รวมทั้งไวรัส แบคทีเรีย และเชื้อรา การติดเชื้ออาจเป็นที่เยื่อหุ้มสมอง (เยื่อหุ้มสมองอักเสบ) ที่เนื้อสมอง (สมองอักเสบ) หรือภายในเนื้อสมอง (เช่น ฝีในสมอง [cerebral abscess])^[217] โรคที่เชื่อว่าเกิดจากพรีออน (prion disease) ซึ่งมีน้อยรวมทั้งโรคครอยตส์เฟลดต์-จาค็อบและโรคที่เป็นรูปแบบย่อยต่าง ๆ หรือโรคคูรุ^[AW] ก็อาจมีผลต่อสมองด้วย^[217]

เนื้องอกในสมองอาจเป็นแบบไม่ร้ายหรืออาจเป็นแบบร้าย เนื้องอกร้ายปกติจะกระจายมาจากส่วนอื่นของร่างกาย มากที่สุดจากปอด จากเต้านม และจากผิวหนัง^[219] แต่มะเร็งที่เกิดในสมองก็มีเหมือนกัน โดยเกิดจากเนื้อเยื่อใดก็ได้รอบ ๆ สมอง meningioma เป็นมะเร็งเยื่อหุ้มสมอง และสามัญกว่ามะเร็งเนื้อเยื่อสมองอื่น ๆ^[219] มะเร็งภายในสมองก่ออาการที่สัมพันธ์กับขนาดและตำแหน่ง อาการรวมทั้งปวดหัวคลื่นไส้ หรือก่ออาการโดยเฉพาะ ๆ เป็นปัญหาที่แย่ลงเรื่อย ๆ เช่นการเห็น การกลืน การพูด หรืออารมณ์เปลี่ยนแปลง^[219] มะเร็งโดยทั่วไปจะตรวจด้วยเอกซ์เรย์คอมพิวเตอร์และ MRI วิธีการตรวจอื่น ๆ รวมทั้งตรวจเลือด การเจาะน้ำไขสันหลังอาจใช้เพื่อตรวจเหตุของมะเร็ง และประเมินชนิดและระยะของมะเร็ง^[219] ยาสเตอรอยด์ คือ เด็กซาเมทาโซนมักให้เพื่อลดอาการบวมของเนื้อเยื่อสมองรอบ ๆ เนื้องอก แพทย์อาจพิจารณาการผ่าตัด แต่เพราะความซับซ้อนของเนื้องอก เพราะระยะหรือชนิดของมะเร็ง แพทย์อาจรักษาด้วยรังสีบำบัด (radiotherapy) หรือเคมีบำบัด^[219]

จิตพิการ เช่น โรคซึมเศร้า, โรคจิตเภท, โรคอารมณ์สองขั้ว, ความผิดปกติที่เกิดหลังความเครียดที่สะเทือนใจ, โรคสมาธิสั้น, โรคย้ำคิดย้ำทำ, Tourette syndrome และการติด (addiction) รู้แล้วว่าสัมพันธ์กับการทำงานของสมอง^{[162][166][220]} การรักษาอาจรวมจิตบำบัด (psychotherapy) การรักษาทางจิตเวช การแก้ปัญหาทางสังคม และการทำงานที่มีความหมายสำหรับตน และ/หรือการบำบัดทางความคิดและพฤติกรรม แต่เหตุที่เป็นมูลฐานและพยากรณ์โรคที่สัมพันธ์กันก็จะต่าง ๆ กันมากในระหว่างบุคคล^[221]

การชักเหตุโรคลมชัก (epileptic seizure) เชื่อว่าสัมพันธ์กับการทำงานทางไฟฟ้าของสมองที่ผิดปกติ^[222] การชักอาจปรากฏเป็นการหมดสติ เป็นอาการเฉพาะที่ ๆ เช่น การเคลื่อนไหวของแขนขาหรือปัญหาการพูด หรืออาจเป็นการชักแบบทั่ว ๆ ไป^[222] ส่วน status epilepticus หมายถึงการชักครั้งเดียวหรือการชักต่อ ๆ กันที่ไม่หยุดภายใน 5 นาที^[223] การชักมีเหตุหลายอย่างมาก และหลายอย่างก็ไม่สามารถตรวจพบสาเหตุได้ ในคนไข้โรคลมชัก ปัจจัยเสี่ยงของการชักอาจรวมการนอนไม่หลับ การกินยาหรือแอลกอฮอล์ และความเครียด การชักอาจตรวจด้วยการตรวจเลือด, EEG และการสร้างภาพทางการแพทย์อื่น ๆ ขึ้นอยู่กับประวัติคนไข้และสิ่งที่หมอตรวจพบ^[222] นอกจากรักษาเหตุที่เป็นมูลและลดการได้รับปัจจัยเสี่ยง ยากันชักอาจช่วยป้องกันการชักต่อ ๆ ไปได้^[222]

โรสมองบางอย่าง เช่น Tay-Sachs disease^[224] เป็นความผิดปกติแต่กำเนิด^[225] และเชื่อมกับการกลายพันธุ์ของยีนและโครโมโซม^[225] กลุ่มโรคประเภท cephalic disorder ซึ่งมีแต่กำเนิด มีน้อย และเรียกว่า lissencephaly มีอาการคือมีรอยพับในเปลือกสมองไม่พอ^[226] พัฒนการของสมองในครรภ์อาจผิดปกติเพราะขาดอาหาร^[227], เพราะสารก่อวิรูป (teratogen)^[228], โรคติดต่อ^[229] และการใช้ยาเสพติดรวมทั้งแอลกอฮอล์ (ซึ่งอาจก่อ fetal alcohol spectrum disorders)^[227][230]

โรคหลอดเลือดสมองมีเหตุจากการขาดเลือดไปเลี้ยงบริเวณสมอง ทำให้เซลล์ตายและทำให้สมองบาดเจ็บ ซึ่งก่ออาการต่าง ๆ มากมาย รวมทั้งที่ย่อเป็นคำช่วยจำว่า FAST คือ หน้าห้อย (Facial droop), แขนไม่มีแรง (Arm weakness), ปัญหาการพูด (Speech difficulties) รวมทั้งอาการพูดไม่เป็นความ (dysarthria) และภาวะเสียการสื่อภาษา (dysphasia) คือหาคำพูดหรือสร้างประโยคไม่ได้^[AX][231] อาการจะสัมพันธ์กับหน้าที่ของบริเวณสมองที่เกิดปัญหา ดังนั้น จึงอาจบ่งบริเวณที่เป็นเหตุของโรค เช่น ปัญหาการเคลื่อนไหว การพูด หรือการเห็นปกติจะสัมพันธ์กับสมองใหญ่ ส่วนปัญหาเกี่ยวการทรงตัว การเห็นภาพซ้อน อาการรู้สึกหมุน และอาการที่มีผลต่อร่างกายทั้งสองซีก ปกติจะสัมพันธ์กับก้านสมองและสมองน้อย^[232]

โรคหลอดเลือดสมองโดยมากเกิดจากขาดเลือด/เส้นเลือดอุดตัน ปกติเพราะมีสิ่งหลุดอุดหลอดเลือด (embolus) ตะกรันท่อเลือดแดงหลุดออก (atheroma) แล้วอุดเส้นเลือด ณ ที่อื่น (เป็นลิ่มเลือดในหลอดเลือด) หรือเส้นเลือดแดงเล็กตีบ แต่ก็อาจเกิดจากการตกเลือดในสมอง^[233] โรคที่อาการหายไปภายใน 24 ชม. เรียกว่า ภาวะสมองขาดเลือดชั่วคราว (TIA)^[233]

วิธีการตรวจรวมทั้งการตรวจร่างกาย (รวมทั้งตรวจประสาท) การซักประวัติคนไข้โดยเน้นช่วงเวลาการเกิดอาการและปัจจัยเสี่ยง (รวมทั้งความดันโลหิตสูง) จังหวะการเต้นหัวใจผิดปกติ (atrial fibrillation) และการสูบบุหรี่^[234][235] คนไข้ที่อายุน้อยกว่าอาจต้องตรวจมากกว่า^[234] การบันทึกคลื่นไฟฟ้าหัวใจ (ECG) และ biotelemetry อาจใช้ระบุจังหวะการเต้นหัวใจผิดปกติ (atrial fibrillation) อัลตราซาวนด์อาจใช้ตรวจการตีบของหลอดเลือดแดงแครอทิด การบันทึกภาพหัวใจด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงอาจใช้หาลิ่มเลือดในหัวใจ, โรคเกี่ยวกับลิ้นหัวใจ หรือช่องหัวใจไม่ปิด (patent foramen ovale)^[234] การตรวจเลือดปกติจะทำโดยเป็นส่วนการเก็บประวัติคนไข้ รวมทั้งการตรวจเบาหวาน และการตรวจระดับไขมันในเลือด^[234]

วิธีการรักษาโรคบางอย่างต้องทำให้ทันเวลารวมทั้ง

• การละลายลิ่มเลือด (thrombolysis) หรือการผ่าตัดเอาลิ่มเลือดออก (embolectomy) สำหรับโรคแบบหลอดเลือดอุดตัน (ischaemic stroke)
• การผ่าตัดลดความกดดันสมอง (decompression) สำหรับโรคแบบตกเลือด (haemorrhagic stroke)^[236][237]

เนื่องจากเวลาเป็นเรื่องวิกฤติสำหรับโรคนี้^[238] ทั้งโรงพยาบาลทั้งหน่วยพยาบาลอื่น ๆ จะตรวจสอบอย่างเร่งด่วน

• โดยปกติด้วยเอกซ์เรย์คอมพิวเตอร์เพื่อตรวจโรคแบบตกเลือด
• ด้วย computed tomography angiography (CTA)^[AY] หรือ magnetic resonance angiography (MRA)^[AZ] เพื่อตรวจหลอดเลือดแดงที่ส่งเลือดไปเลี้ยงสมอง^[234]

ภาพ MRI ซึ่งอาจมีใช้น้อยกว่า อาจแสดงบริเวณสมองที่มีปัญหาได้แม่นยำกว่า โดยเฉพาะโรคแบบหลอดเลือดอุดตัน^[234]

คนไข้ที่อาการของโรคเกิดขึ้นแล้ว รพ. อาจรับเข้าหน่วยโรคหลอดเลือดสมอง และการรักษาจะมุ่งการป้องกันไม่ให้เกิดอาการของโรคอีกรวมทั้งให้ทานยากันลิ่มเลือด (anticoagulant) เช่น แอสไพรินหรือ clopidogrel, ยาลดความดัน และยาลดไขมันในเส้นเลือด^[236] ในบางที่ อาจใช้ทีมผู้รักษาเพื่อสนับสนุนคนไข้และการฟื้นตัว ทีมรวมทั้งผู้บำบัดการพูด นักกายภาพบำบัด และนักจิตวิทยา^[239][234] ประวัติการมีโรคจะเพิ่มความเสี่ยงการเกิดภาวะสมองเสื่อมราว ๆ 70% และการมีโรคเร็ว ๆ นี้เพิ่มความเสี่ยงราว ๆ 120%^[240]

สมองตายหมายถึงสมองที่ไม่ทำงานโดย "สิ้นเชิง" และฟื้นสภาพไม่ได้^[241][242] ซึ่งมีอาการเป็นโคม่า การไร้รีเฟล็กซ์ และการหยุดหายใจ (apnea)^[241] แต่การระบุว่าคนไข้สมองตายแล้วก็ต่างกันในประเทศต่าง ๆ และยังไม่ได้การยอมรับอย่างทั่วไป^[242] บางประเทศยังนิยามภาวะสมองน้อยตาย (brainstem death)^[BA] ด้วย^[243] ถ้าแพทย์ระบุว่าสมองตายก็จะมีผลต่อการรักษาคนไข้โดยหลักการรักษาพยาบาลที่ไร้ประโยชน์^[BB] คือมักจะสัมพันธ์กับการเอาเครื่องช่วยให้คนไข้รอดชีวิตได้ออก^[244] และคนไข้ที่สมองตายบ่อยครั้งมีอวัยวะที่บริจาคได้^[242][245] แต่บ่อยครั้งทำได้ยากเพราะสื่อสารกับครอบครัวของคนไข้ได้ไม่ดี^[246]

เมื่อหมอสงสัยว่าคนไข้สมองตายแล้ว ก็จะต้องแยกวินิจฉัยอาการหรือโรคที่ฟื้นสภาพได้ เช่น สมองหยุดทำงานเนื่องกับความไม่สมดุลของอิเล็กโทรไลต์ หรือการหยุดการทำงานทางประชานเหตุประสาท (neurological cognitive suppression) หรือเหตุยา^[241][244] การตรวจรีเฟล็กซ์ ^[BC] สามารถช่วยให้ตัดสินได้ การไร้การตอบสนองของคนไข้หรือการหายใจก็เช่นกัน^[244] สังเกตการณ์ทางคลินิก รวมทั้งการไร้การตอบสนองโดยสิ้นเชิง วินิจฉัยโรคที่รู้อยู่แล้ว หลักฐานเป็นภาพประสาท ล้วนอาจมีบทบาทให้ตัดสินได้ว่า สมองตายแล้ว^[241]

ประสาทมานุษยวิทยา (neuroanthropology) เป็นสาขาที่ศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างวัฒนธรรมกับสมอง เป็นการศึกษาว่าสมองก่อวัฒนธรรมได้อย่างไร และวัฒนธรรมมีผลต่อพัฒนาการของสมองอย่างไร^[247] แต่ความแตกต่างทางวัฒนธรรมที่สัมพันธ์กับพัฒนาการของสมองและโครงสร้างสมองก็มีการศึกษาวิจัยในสาขาอื่น ๆ ด้วย^[248]

จิตปรัชญา (philosophy of mind) ศึกษาประเด็นต่าง ๆ เช่น เรื่องความรู้สึกตัว (consciousness) และปัญหาจิต-กาย (mind-body problem) ความสัมพันธ์ระหว่างสมองกับจิตใจเป็นเรื่องท้ายทายทั้งในหลักปรัชญาและหลักวิทยาศาสตร์ เพราะอธิบายได้ยากว่า การทำงานทางจิตใจ เช่นความคิดหรืออารมณ์ สามารถเกิดในโครงสร้างทางกายภาพเช่นเซลล์ประสาทและไซแนปส์ หรือแม้แต่กลไกทางกายภาพอื่น ๆ ได้อย่างไร นักปรัชญาชาวเยอรมันก็อทฟรีท ไลบ์นิซ (Gottfried Leibniz ค.ศ. 1646-1716) ได้กล่าวถึงปัญหานี้ในคำอุปมาที่เรียกว่า Leibniz's Mill (โรงสีของไลบ์นิซ)

ใคร ๆ ก็จะต้องยอมรับว่า การรับรู้และสิ่งที่อาศัยมันเป็นเรื่องที่อธิบายไม่ได้อาศัยหลักกลศาสตร์ คือโดยรูปและการเคลื่อนไหว เมื่อจินตนาการว่า มีเครื่องยนตร์ที่วิธีการสร้างมันสามารถทำให้มันคิดได้ รับรู้ทางสัมผัสได้ และเกิดการรับรู้ได้ ก็อาจจินตนาการให้มันใหญ่ขึ้นโดยมีสัดส่วนเหมือนเดิม เพื่อให้เดินเข้าไปดูได้ เหมือนกับเดินเข้าไปในโรงสีลม ถ้าคิดได้เช่นนี้ เมื่อเดินเข้าไปตรวจดูมัน ก็จะพบเพียงแค่ชิ้นส่วนต่าง ๆ ที่ขับกันและกัน แต่ก็จะไม่พบอะไร ๆ ที่สามารถอธิบายการรับรู้ [ว่าเกิดอย่างไร] ได้

— ก็อทฟรีท ไลบ์นิซ - ในผลงาน Monadology (1714)^[250]

ความสงสัยว่าจะมีคำอธิบายเชิงกลศาสตร์เกี่ยวกับความคิดได้หรือไม่ ได้ผลักดันให้นักปรัชญาชาวฝรั่งเศสเรอเน เดการ์ต บวกกับนักปรัชญาอื่น ๆ ให้มีแนวคิดแบบทวินิยม (dualism) คือความเชื่อว่า จิตใจในเป็นอิสระจากสมองโดยระดับหนึ่ง^[251] แต่ก็มีเหตุผลที่ดีเป็นฝ่ายคัดค้านมาตลอด

มีหลักฐานเชิงประสบการณ์ที่ชัดเจนว่า การจัดแจงทางกายภาพ (เช่นด้วยยา) หรือการบาดเจ็บที่สมอง (เช่นมีรอยโรค) มีผลต่อจิตใจอย่างมีกำลังและลึกซึ้ง^[252][253] ในคริสต์ศตวรรษที่ 19 กรณีของนายฟิเนียส์ พี. เกจ ผู้เป็นคนงานทางรถไฟที่ได้รับบาดเจ็บจากแท่งเหล็กขนาดล่ำ ๆ ที่พุ่งทะลุสมองของเขา ได้ทำให้ทั้งนักวิจัยและคนทั่วไปเชื่อว่า การทำงานทางประชานนั้นเกิดเฉพาะในสมอง^[249]

ต่อมาโดยตามแนวคิดนี้ หลักฐานเชิงประสบการณ์จำนวนมากที่แสดงว่า การทำงานของสมองสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับการทำงานทางใจ ทำให้นักประสาทวิทยาศาสตร์และนักปรัชญาปัจจุบันโดยมากเป็นนักวัตถุนิยม คือเชื่อว่า ปรากฏการณ์ทางใจจริง ๆ แล้วเป็นผลของ หรือสามารถลดทอนจนเหลือเป็นเพียงปรากฏการณ์ทางกายภาพ^[254]

ขนาดสมองกับระดับเชาวน์ปัญญาของบุคคลไม่สัมพันธ์กันอย่างมีกำลัง^[255] งานศึกษามักจะแสดงค่าสหสัมพันธ์ระหว่างปริมาตรสมองกับระดับเชาวน์ปัญญา (IQ) ในระดับน้อยจนถึงปานกลาง (โดยเฉลี่ยประมาณ 0.3-0.4)^[256] ส่วนที่สัมพันธ์อย่างสม่ำเสมอที่สุดก็คือสมองกลีบหน้า กลีบขมับ กลีบข้าง ฮิปโปแคมปัส และสมองน้อย ถึงกระนั้นก็ยังอธิบายความแปรปรวน (variance) ของระดับไอคิวได้ค่อนข้างน้อย ระดับไอคิวเองก็สัมพันธ์กับระดับเชาวน์ปัญญาทั่วไปและความชาญฉลาดในชีวิตประจำวันจริง ๆ แค่ส่วนหนึ่ง^[257][258]

สัตว์อื่น ๆ รวมทั้งวาฬและช้างมีสมองใหญ่กว่ามนุษย์ แต่ถ้าคิดค่าตามสัดส่วนร่างกายแล้ว (คืออัตรามวลสมองต่อร่างกาย) สมองมนุษย์จะใหญ่เกือบเป็นสองเท่าเทียบกับโลมาปากขวด เป็นสามเท่าเทียบกับชิมแปนซีธรรมดา อย่างไรก็ดี ค่าที่สูงกว่าก็ไม่ใช่ว่าฉลาดกว่า เพราะสัตว์เล็กมากก็มีค่าที่สูงมาก โดยกระแตมีค่าสูงสุดในบรรดาสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม^[259]

งานวิจัยได้พิสูจน์ว่า ความเชื่อความเข้าใจทั่วไปบางอย่างเกี่ยวกับสมองไม่จริง รวมทั้งตำนานที่มีมาตั้งแต่โบราณและที่เกิดในปัจจุบัน เช่น ไม่จริงว่า เซลล์ประสาทจะไม่เปลี่ยนใหม่หลังจากอายุถึงสองขวบ ไม่จริงว่า มนุษย์ใช้สมองเพียงแค่ 10%^[260] วัฒนธรรมนิยมยังพูดถึงการแบ่งการทำงานของสมองเป็นซีกซ้ายขวาอย่างง่าย ๆ เกินไป คือระบุว่า หน้าที่บางอย่างเฉพาะเจาะจงต่อสมองข้างใดข้างหนึ่งเท่านั้น นพ. ชาวญี่ปุ่นอากิโอะ มอริ (森 昭雄) ได้บัญญัติคำว่า สมองเกม (game brain) สำหรับทฤษฎีซึ่งไร้หลักฐานที่น่าเชื่อถือว่า การเล่นเกมเป็นเวลานาน ๆ มีผลเสียหายต่อสมองส่วน prefrontal cortex และต่อการแสดงออกทางอารมณ์และความคิดสร้างสรรค์^[261]

ในประวัติชาวตะวันตก สมองได้ปรากฏในวัฒนธรรมนิยมในเรื่อง phrenology ซึ่งเป็นวิทยาศาสตร์เทียมที่ระบุลักษณะทางบุคลิกภาพว่าจำกัดอยู่ที่ส่วนต่าง ๆ ของเปลือกสมอง เรื่องต่าง ๆ เกี่ยวกับเปลือกสมองก็ยังปรากฏอย่างสำคัญในวัฒนธรรมนิยมดังที่พบในหนังสือและวรรณกรรมเชิงเสียดสี^[262][263] สมองเป็นส่วนของบันเทิงคดีแนววิทยาศาสตร์ มีธีมเช่นการผ่าตัดเปลี่ยนสมอง ไซบอร์ก (คือ สัตว์/มนุษย์/หุ่นยนตร์ที่มีองค์ประกอบต่าง ๆ เช่น สมองเทียม)^[264] นิยายวิทยาศาสตร์อเมริกันปี 1942 คือ Donovan's Brain (ซึ่งจัดทำเป็นภาพยนตร์ถึง 3 ครั้ง) เป็นเรื่องเกี่ยวกับสมองที่เก็บไว้ในหลอดแก้ว ซึ่งค่อย ๆ เข้าไปครอบครองร่างของพระเอกในหนังสือ^[265]

คัมภีร์พุทธศาสนาได้กล่าวถึงสมองไว้หลายเรื่องรวมทั้ง

• คัมภีร์สมันตปาสาทิกาซึ่งเป็นอรรถกถาของพระวินัยปิฎก กล่าวถึงความเป็นมาของหมอชีวกโกมารภัจจ์ผู้เป็นแพทย์ประจำของพระพุทธเจ้าและพระเจ้าพิมพิสารไว้ว่า ได้รักษาเศรษฐีชาวพระนครราชคฤห์ผู้ป่วยปวดศีรษะอยู่ 7 ปีโดยแพทย์อื่น ๆ ไม่สามารถรักษาได้ และรักษาโดย "เปิดรอยประสานกะโหลกศีรษะ นำสัตว์มีชีวิตออกมาสองตัว" แล้วให้นอนพัก 3 สัปดาห์ ได้ทรัพย์จากเศรษฐี 100,000 กหาปณะ และให้เศรษฐีทูลถวายทรัพย์แด่พระเจ้าพิมพิสารอีก 100,000 กหาปณะ^[266]
• คัมภีร์วิสุทธิมรรคซึ่งจัดเป็นคัมภีร์หลักในเรื่องการปฏิบัติในพุทธศาสนา ได้กล่าวถึงสมองในส่วนสมาธินิเทศ (อนุสสติกัมมัฏฐานนิเทศ) กายคตาสติ เพื่อการพิจารณาให้เห็นเป็นสิ่งปฏิกูลไว้ว่า "คำว่า มตฺถลุงฺคํ - มันในสมอง ได้แก่ เนื้อเยื่ออันตั้งอยู่ภายในกะโหลกศีรษะ มันในสมองนั้น โดยสี ขาวดังสีดอกเห็ด แม้จะกล่าวว่า สีดังนมสดที่ไม่สดแล้ว แต่ยังไม่ถึงเป็นนมส้ม ดังนี้ก็ควร โดยสัณฐาน มีสัณฐานตามโอกาส [ที่ตั้งอยู่] โดยทิศ เกิดในทิศเบื้องบน โดยโอกาส อาศัยแนวประสาน ๔ แนว ตั้งรวมกันอยู่ภายในกะโหลกศีรษะ เหมือนก้อนแป้ง ๔ ก้อน ที่คนวางรวมกันอยู่ โดยตัดตอน กำหนดตัดด้วยพื้นด้านในกะโหลกศีรษะและด้วยส่วนแห่งมันสมอง นี้เป็นสภาคปริจเฉท ส่วนวิสภาคปริจเฉท ก็เป็นเช่นเดียวกับผมนั่นแล"

แผ่นพาไพรัสของเอ็ดวินสมิธ (Edwin Smith Papyrus) เป็นบทความทางการแพทย์เขียนในศตวรรษที่ 17 ก่อน คศ. ซึ่งอ้างอิงสมอง เก่าแก่ที่สุดเท่าที่เคยพบ โดยพบตัวไฮเออโรกลีฟอียิปต์ที่ระบุสมองถึง 8 ครั้ง และกล่าวถึงอาการ วินิจฉัยโรค และพยากรณ์โรคสำหรับการบาดเจ็บสองอย่างที่ศีรษะ แผ่นพาไพรัสกล่าวถึงผิวภายนอกของสมอง ผลของความบาดเจ็บ (รวมการชักและภาวะเสียการสื่อความ) เยื่อหุ้มสมอง และน้ำหล่อสมองไขสันหลัง^[267][268]

ในศตวรรษที่ 5 ก่อน คศ. (ราวพุทธกาล) นักปรัชญาแอลค์มีออนแห่งโครโทน (Alcmaeon of Croton) ในแม็กนากรีเซีย (Magna Grecia) เป็นบุคคลแรกที่พิจารณาสมองว่า เป็นมูลฐานของจิตใจ^[268] ในนครเอเธนส์สมัยเดียวกัน ผู้ประพันธ์นิรนามของผลงาน On the Sacred Disease (ในเรื่องโรคศักดิ์สิทธิ์) ซึ่งเป็นบทความทางการแพทย์โดยเป็นส่วนของผลงาน Hippocratic Corpus และปกติยกเครดิตให้ฮิปพอคราทีส เชื่อว่าสมองเป็นมูลฐานของเชาวน์ปัญญา ส่วนแอริสตอเติล (384-322 ปีก่อน ค.ศ.) ดั้งเดิมเชื่อว่า หัวใจเป็นมูลฐานของเชาวน์ปัญญา และเห็นสมองว่า เป็นกลไกทำเลือดให้เย็นลง เขาให้เหตุผลหนึ่งในบรรดาเหตุผลต่าง ๆ ว่า มนุษย์มีเหตุผลมากกว่าสัตว์ดิรัจฉานเพราะมีสมองใหญ่กว่าเพื่อลดความร้อนแรงของเลือด^[269] แอริสตอเติลได้พรรณนาถึงเยื่อหุ้มสมอง และแยกแยะระหว่างสมองใหญ่กับสมองน้อย^[270]

แพทย์กรีกโบราณฮิรอฟิลัส (Herophilus) แห่งเมืองแคลซีดอน (Chalcedon) ในทศวรรษที่ 4-3 ก่อน คศ. ได้แยกแยกสมองใหญ่กับสมองน้อย และได้ให้คำพรรณนาของระบบโพรงสมองที่ชัดเจนเป็นคนแรก ส่วนเอเรซิสเทรทัส (Erasistratus 304-250 ปีก่อน ค.ศ.) แห่งเกาะคี (Kea) ได้ทดลองกับสมองที่ยังเป็นอยู่ แต่ผลงานของเขาก็ไม่เหลืออยู่ในปัจจุบัน มีแต่วรรณกรรมอื่น ๆ ที่กล่าวถึง สิ่งที่คนโบราณเหล่านี้ค้นพบ ต้องมาค้นพบใหม่อีกเป็นพันปีหลังจากพวกเขาเสียชีวิต^[268] แพทย์นักกายวิภาคชาวกรีกเกเลนในคริสต์ศตวรรษที่ 2 ช่วงจักรวรรดิโรมันได้ผ่าตัดสมองของแกะ ลิง สุนัข และหมู แล้วสรุปว่า เพราะสมองน้อยหนาแน่นกว่าสมอง มันต้องควบคุมกล้ามเนื้อ และเพราะสมองใหญ่อ่อน จึงต้องเป็นส่วนที่แปลผลประสาทสัมผัส แล้วตั้งทฤษฎีเพิ่มว่า สมองทำงานอาศัยวิญญาณสัตว์ที่เคลื่อนที่ไปมาในโพรงสมอง^[268][269]

ในปี 1316 ผลงานของแพทย์ชาวอิตาลีมอนดีโน เดอ ลูซซี่ คือ Anathomia ได้เริ่มการศึกษาทางกายวิภาคปัจจุบันของสมอง^[271] นักกายวิภาคชาวอิตาลีนิคอลอ มาซซา (Niccolò Massa) พบในปี 1536 ว่า โพรงสมองมีน้ำเต็ม^[272] แพทย์นักกายวิภาคชาวอิตาลีอาคแอนเจโล พิคคอลอมินี (Archangelo Piccolomini) แห่งโรมเป็นบุคคลแรกที่แยกแยะสมองใหญ่กับเปลือกสมอง^[273] ในปี 1543 แพทย์นักกายวิภาคชาวเฟลมิชแอนเดรียส เวซาเลียส ได้พิมพ์ผลงาน 7 เล่มมีชื่อว่า De humani corporis fabrica (เรื่องโครงสร้างร่างกายมนุษย์)^{[273][274][275]} เล่มที่ 7 เป็นเรื่องสมองและตา มีภาพรายละเอียดของโพรงสมอง ประสาทสมอง ต่อมใต้สมอง เยื่อหุ้มสมอง โครงสร้างตา เส้นเลือดที่เลี้ยงสมองและไขสันหลัง และเส้นประสาทนอกส่วนกลาง^[276] เขาปฏิเสธความเชื่อทั่วไปว่า โพรงสมองทำหน้าที่ของสมอง โดยอ้างว่า สัตว์หลายอย่างมีระบบโพรงสมองคล้ายมนุษย์ แต่ก็ไม่ได้มีปัญญาจริง ๆ^[273]

เรอเน เดการ์ตเสนอทฤษฏีทวินิยม (dualism) เพื่อแสดงความสัมพันธ์ระหว่างสมองกับจิตใจ และเสนอว่า ต่อมใต้สมองเป็นที่ที่จิตใจมีปฏิสัมพันธ์กับกาย^[272] ทฤษฎีนี้น่าจะเป็นตัวกระตุ้นให้นักกายวิภาคต่อ ๆ มาพยายามศึกษาความสัมพันธ์ทางกายวิภาคกับทางหน้าที่ของสมองส่วนต่าง ๆ^[277]

แพทย์ชาวอังกฤษโทมัส วิลลิส ถือว่า เป็นผู้บุกเบิกคนที่สองในงานศึกษาประสาทวิทยาและวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับสมอง ในงาน Cerebri Anatome (กายวิภาคของสมอง) ปี 1664 ตามด้วย Cerebral Pathology (พยาธิวิทยาในสมอง) ปี 1667 หมอได้พรรณนาถึงโครงสร้างของสมองน้อย โพรงสมอง ซีกสมองทั้งสอง ก้านสมอง ประสาทสมอง ได้กล่าวถึงเลือดที่ส่งไปเลี้ยงสมอง และได้เสนอหน้าที่ที่สัมพันธ์กับบริเวณต่าง ๆ ในสมอง^[273] โครงสร้างหลอดเลือดที่เรียกว่า circle of Willis ตั้งชื่อตามหมอหลังจากที่เขาตรวจสอบการส่งเลือดไปเลี้ยงในสมอง เป็นคนแรกที่ใช้คำว่า neurology (ประสาทวิทยา)^[278] หมอเอาสมองออกจากร่างเพื่อตรวจสอบ และปฏิเสธทัศนคติที่ทั่วไปว่า เปลือกสมองมีแต่หลอดเลือด และทัศนคติที่สืบมาตั้งสองพันปีว่า เปลือกสมองไม่ค่อยสำคัญ^[273]

ในช่วงคริสต์ทศวรรษ 1820 แพทย์นักสรีรวิทยาชาวฝรั่งเศส Jean Pierre Flourens ได้บุกเบิกใช้วิธีการทดลองที่ทำลายสมองส่วนโดยเฉพาะ ๆ ของสัตว์แล้วระบุผลต่อการเคลื่อนไหวและพฤติกรรม^[279] ในปลายคริสต์ศตวรรษที่ 19 แพทย์นักสรีรวิทยาชาวเยอรมัน Emil du Bois-Reymond และแฮร์มัน ฟ็อน เฮ็ล์มฮ็อลทซ์ ดำเนินรอยตามครูของพวกเขาคือ Johannes Peter Müller และได้แสดงว่า กระแสประสาทวิ่งไปตามเส้นประสาท แต่ไม่ได้ถือตามว่า กระแสประสาทเช่นนี้สามารถมองเห็นได้^[280] ในปี 1875 แพทย์ชาวอังกฤษริชาร์ด เคทอน (Richard Caton) ได้แสดงว่า มีกระแสประสาทในซีกสมองของกระต่ายและลิง^[281]

การศึกษาสมองได้ก้าวหน้าขึ้นโดยใช้กล้องจุลทรรศน์และการย้อมสีเงิน (silver stain) ที่พัฒนาขึ้นโดยแพทย์ชาวอิตาลีคามีลโล กอลจี (Camillo Golgi) ซึ่งสามารถแสดงโครงสร้างละเอียดของเซลล์ประสาทเซลล์เดียว^[282] ซึ่งต่อมาแพทย์นักประสาทวิทยาศาสตร์ชาวสเปนซานเตียโก รามอน อี กาฆัล ได้ใช้แล้วตั้งหลักเซลล์ประสาท (neuron doctrine) ซึ่งสมัยนั้นเป็นสมมติฐานพลิกแผ่นดินว่า เซลล์ประสาทเป็นหน่วยปฏิบัติงานพื้นฐานของสมอง เขาใช้กล้องจุลทรรศน์แล้วค้นพบเซลล์ต่าง ๆ หลายอย่าง แล้วเสนอหน้าที่ของเซลล์ที่เห็น^[282] เพราะเหตุนี้ นพ. กอลจี และ นพ. รามอน อี กาฆัลจึงถือว่าเป็นบิดาแห่งประสาทวิทยาศาสตร์ยุคคริสต์ศตวรรษที่ 20 ต่อมาทั้งสองได้รับรางวัลโนเบลร่วมกันในปี 1906 สำหรับงานศึกษาและสิ่งที่ค้นพบในสาขานี้^[282]

ในปี 1906 แพทย์นักประสาทสรีรวิทยาชาวอังกฤษเซอร์ ชาลส์ เชอร์ริงตัน (Charles Scott Sherrington) ได้ตีพิมพ์ผลงานทรงอิทธิพลคือ The Integrative Action of the Nervous System (การทำงานประสานของระบบประสาท) ซึ่งตรวจสอบหน้าที่ของรีเฟล็กซ์, พัฒนาการทางวิวัฒนาการของระบบประสาท, การแยกทำหน้าที่ของสมอง, การจัดระเบียบและการทำหน้าที่ในระดับเซลล์ของระบบประสาทกลาง^[283] ส่วนนักประสาทสรีรวิทยาชาวอเมริกันจอนห์ ฟุลตัน (John Farquhar Fulton) ได้ตั้งวารสาร Journal of Neurophysiology (วารสารประสาทสรีรวิทยา) และได้ตีพิมพ์ตำราสรีรภาพของระบบประสาทที่ครอบคลุมเป็นเล่มแรกในปี 1938^[284]

ประสาทวิทยาศาสตร์ในคริสต์ศตวรรษนี้ก็ได้กลายเป็นสาขาการศึกษาต่างหากอาศัยบุคคลสำคัญหลายคน^[285] นักประสาทกายวิภาคชาวอเมริกันเดวิด รีอ็อก (David Rioch) ได้เริ่มรวมงานวิจัยทางกายวิภาคและสรีรภาพพื้นฐานกับการตรวจรักษาทางจิตเวช ณ สถาบันวิจัยทหารบกวอลเตอร์รีด (WRAIR) เริ่มตั้งแต่คริสต์ทศวรรษ 1950^[286] ในสมัยเดียวกันนักชีววิทยาชาวอเมริกันฟรานซิส ชมิทต์ (Francis O. Schmitt) ได้ตั้งโปรแกรมวิจัยทางประสาทวิทยาศาสตร์ (Neuroscience Research Program) ซึ่งเป็นองค์กรระหว่างมหาวิทยาลัยและระหว่างนานาชาติที่ศึกษาชีววิทยา เวชศาสตร์ จิตวิทยา และพฤติกรรมศาสตร์ร่วมกัน คำว่า ประสาทวิทยาศาสตร์ (neuroscience) เริ่มมาจากโปรแกรมนี้^[287]

แพทย์นักกายวิภาคชาวฝรั่งเศสพอล โบรคา (Paul Broca) ได้สัมพันธ์บริเวณสมองกับหน้าที่จำเฉพาะ ๆ โดยเฉพาะที่บริเวณโบรคา (Broca's area) โดยอาศัยงานที่ทำกับคนไข้สมองเสียหาย^[288] นักประสาทวิทยาชาวอังกฤษจอห์น แจ็กสัน (John Hughlings Jackson) ได้พรรณนาถึงหน้าที่ของเปลือกสมองส่วนสั่งการ (motor cortex) โดยเฝ้าดูการดำเนินของการชักเหตุโรคลมชักที่กระจายไปทั่วร่างกาย ส่วนแพทย์นักกายวิภาคชาวเยอรมันคาร์ล แวร์นิเก (Carl Wernicke) ได้พรรณนาบริเวณแวร์นิเก (Wernicke's area) ที่สัมพันธ์กับการเข้าใจภาษาและการก่อสร้างภาษาในสมอง นักประสาทวิทยาชาวเยอรมันคอร์บิเนียน บรอดมันน์ (Korbinian Brodmann) ได้แบ่งสมองออกเป็นส่วนต่าง ๆ อาศัยรูปปรากฏของเซลล์^[288]

ไม่เกินปี 1950 เชอร์ริงตัน, นักประสาทสรีรวิทยาชายอเมริกันเจมส์ เพเพซ (James Papez) และแพทย์นักประสาทวิทยาศาสตร์พอล แม็กลีน (Paul D. MacLean) ก็ได้ระบุหน้าที่ของก้านสมองและระบบลิมบิกหลายอย่าง^{[289][290][291]} ส่วนสมรรถภาพของสมองในการจัดระเบียบใหม่และการเปลี่ยนแปลงตามอายุ และการมีระยะพัฒนาการวิกฤติ (critical development period) มาจากการศึกษาประเด็นสภาพพลาสติกของประสาท (neuroplasticity) ซึ่งมีผู้บุกเบิกคือนักประสาทวิทยาชาวอมริกันมากาเร็ต เค็นนาร์ด (Margaret Kennard) ผู้ได้ทดลองกับลิงในช่วงคริสต์ทศวรรษ 1930-40^[292]

แพทย์ชาวอเมริกันคือฮาร์วีย์ คุชชิง (1869-1939) ได้การยอมรับว่า เป็นประสาทศัลยแพทย์ที่ชำนาญเป็นคนแรกในโลก^[293] ในปี 1937 ประสาทศัลยแพทย์วอลเตอร์ แดนดี้ (Walter Dandy) ได้เริ่มทำประสาทศัลยกรรมที่เส้นเลือดโดยได้ตัดหลอดเลือดป่องโพงในกะโหลก (intracranial aneurysm) ออกเป็นรายแรก^[294]

สมองมนุษย์มีลักษณะหลายประการที่ทั่วไปกับสมองของสัตว์มีกระดูกสันหลังทั้งหมด^[295] และหลายอย่างก็ทั่วไปกับสมองของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมด้วย^[296] ที่เด่นสุดก็คือเปลือกสมองที่มี 6 ชั้นและโครงสร้างที่สัมพันธ์กัน^[297] รวมทั้ง ฮิปโปแคมปัสและอะมิกดะลา^[298] แต่เปลือกสมองของมนุษย์โดยสัดส่วนก็จะใหญ่กว่าสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมอื่นหลายอย่าง^[299] มนุษย์มีเปลือกสมองส่วนสัมพันธ์ โครงสร้างของประสาทสัมผัส และโครงสร้างของประสาทสั่งการ มากกว่าสัตว์เลี้ยงลูกด้วยที่เล็กกว่า เช่นหนูและแมว^[300]

โดยเป็นสมองของไพรเมต สมองมนุษย์มีขนาดเปลือกสมอง เมื่อเทียบสัดส่วนกับขนาดร่างกาย ที่ใหญ่กว่าสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมอื่น ๆ โดยมาก^[298] และมีระบบการเห็นที่พัฒนาขึ้นเป็นอย่างดี^[301][302]

โดยเป็นสมองของวงศ์ลิงใหญ่ สมองมนุษย์ใหญ่กว่ามากแม้เทียบกับสมองของลิงทั่วไป สมองมนุษย์ใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ ตามลำดับวิวัฒนาการของมนุษย์จาก Australopithecus (4 ล้านปีก่อน) จนมาเป็น Homo sapiens ในปัจจุบัน^[303][304] เมื่อสมองใหญ่ขึ้น ขนาดและรูปร่างของกะโหลกศีกษะก็เปลี่ยนไปด้วย^[305] จากการมีปริมาตรราว 600 ซีซีใน Homo habilis จนมากโดยเฉลี่ยราว 1,520 ซีซีใน Homo neanderthalensis^[306] ความแตกต่างกันของดีเอ็นเอ การแสดงออกของยีน และปฏิสัมพันธ์ระหว่ายีนกับสิ่งแวดล้อม อาจช่วยอธิบายความแตกต่างระหว่างหน้าที่ของสมองมนุษย์กับของไพรเมตอื่น ๆ^[307]

เปลือกสมองของนกและสัตว์เลื้อยคลานไม่มีรอยพับ สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมมีระดับการพับ (วัดค่าเป็น Gyrification index) ในสมองไม่เท่ากัน สัตว์ที่ใหญ่กว่ามักจะมีระดับสูงกว่า โลมามหาสมุทรสกุล Globicephala (Pilot whale) และโลมาปากขวดมีระดับสูงสุด มนุษย์มีระดับเดียวกันกับม้าแม้สมองมนุษย์จะใหญ่กว่า สัตว์ฟันแทะ (เช่นหนู) โดยมากมีระดับต่ำสุด คือเปลือกสมองโดยมากเรียบ^[308]

• Colledge, Nicki R.; Walker, Brian R.; Ralston, Stuart H.; Ralston, บ.ก. (2010). Davidson's Principles and Practice of Medicine (21st ed.). Edinburgh: Churchill Livingstone/Elsevier. ISBN 978-0-7020-3085-7.
• Hall, John (2011). Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology (12th ed.). Philadelphia, PA: Saunders/Elsevier. ISBN 978-1-4160-4574-8.
• Larsen, William J. (2001). Human Embryology (3rd ed.). Philadelphia, PA: Churchill Livingstone. ISBN 978-0-443-06583-5.
• Bogart, Bruce Ian; Ort, Victoria (2007). Elsevier's Integrated Anatomy and Embryology. Philadelphia, PA: Elsevier Saunders. ISBN 978-1-4160-3165-9.
• Pocock, G.; Richards, C. (2006). Human Physiology: The Basis of Medicine (3rd ed.). Oxford: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-856878-0.
• Purves, Dale (2012). Neuroscience (5th ed.). Sunderland, MA: Sinauer associates. ISBN 978-0-87893-695-3.
• Squire, Larry (2013). Fundamental Neuroscience. Waltham, MA: Elsevier. ISBN 978-0-12-385870-2.
• Standring, Susan, บ.ก. (2008). Gray's Anatomy: The Anatomical Basis of Clinical Practice (40th ed.). London: Churchill Livingstone. ISBN 978-0-8089-2371-8.

• Brain basics by NIMH เก็บถาวร 2017-03-26 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน
• Atlas of the human brain
• Brain facts and figures