דימורפיזם מוחי מיני מייצג מצב בו קיימים הבדלים מבניים בין מוחם של זכרים למוחן של נקבות, באופן שככל הנראה משפיע על תפקוד הפרט בהתאם למינו. מחקרים מראים כי השוני במבנה המוחי בין המינים הוא תולדה של תהליך זכרור (מסקוליניזציה) של המוח שמשפיע על מוחם של הזכרים בלבד. בתהליך זה ההורמון טסטוסטרון מופרש מאשכי העובר הזכרי וחודר אל תאי העצב. לאחר מכן הוא עובר תהליך הקרוי ארומטיזציה בו הוא הופך להורמון אסטרדיול, שחודר אל גרעין התא ומחולל שינויים ב-DNA, הגורמים למסקוליניזציה של המוח. במחקרים בבעלי חיים, כגון חולדות וציפורי שיר, נמצא שמסקוליניזציה מתרחשת גם בעוברות וגם בינקות המוקדמת. השפעותיו נצפו בחולדות בגרעין במוח בשם POA-SDN, שנמצא כגדול יותר משמעותית אצל זכרים. בבני אדם לעומת זאת, אין ממצאים חד-משמעיים שמעידים על התרחשות מסקוליניזציה דרך ארומטיזציה של טסטוסטרון, אולם ישנן ראיות מסוימות להתרחשות מסקוליניזציה בעוברות ובינקות המוקדמת כתוצאה מחשיפה לרמות טסטוסטרון גבוהות. תמיכה אפשרית לכך מגיעה ממחקר שמצא כי אצל גברים גרעין ה-INAH-3 בהיפותלמוס גדול יותר בהשוואה לנשים. עם זאת, נמצא כי גרעין זה קטן באופן יחסי גם בקרב גברים הומוסקסואלים, ממצא שמעלה את השאלה האם השוני בגודל INAH-3 תלוי במגדר או באוריינטציה מינית. תמיכה אחרת בקיום מסקוליניזציה היא קיום מחלת ההיפרפלזיה מולדת של האדרנל (CAH), בה הפרשת יתר של טסטוסטרון במהלך ההיריון גורמת להופעת מאפיינים התנהגותיים גבריים אצל נשים. בניגוד לכך, בסינדרום AIS מוחו המתפתח של העובר נחשף גם כן לרמות גבוהות של טסטוסטרון, אולם ההורמון לא נקלט ברצפטורים האנדרוגניים המעורבים בקביעת מין העובר. לפיכך נוצר מצב בו העובר נולד עם מערכת רבייה נקבית לצד מוח "זכרי", כשמבחינה התנהגותית הוא מתפתח לכדי אישה לכל דבר. עובדה זו פוגעת בתפיסה הדיכוטומית של המוח כגברי או נשי, כפי שכביכול נקבע על ידי התרחשות או היעדר מסקוליניזציה.
הבדלים מוחיים אנטומיים בין נשים לגברים.
ההבדל האנטומי המוסכם ביותר בין המוח הגברי והמוח הנשי הוא שלגברים נפח מוח גדול יותר מאשר לנשים. בנוסף, במוח הנשי קיים באופן יחסי יותר חומר אפור בהשוואה לגברים, דבר המתבטא ביחס גדול יותר בין נפח החומר האפור לנפח החומר הלבן. בהתאם לכך, כמות החומר הלבן היחסית רבה יותר במוחם של גברים.
אמיגדלה: גוף ראיות הולך וגדל מצביע על דימורפיזם מוחי מיני באמיגדלה, כאשר נמצא כי האמיגדלה גדולה יותר באופן משמעותי אצל גברים בהשוואה לנשים. הבדלים בין המינים קיימים גם ביחס בין מבנה וגודל האמיגדלה לשאר המוח. בנוסף, מספר מחקרים מראים כי ישנה השפעה של מין על תפקוד האמיגדלה, כולל בהקשר של תפקידה בזיכרון של אירועים רגשיים.
היפוקמפוס: אזור זה קשור באופן עמוק לתהליכי למידה וזיכרון ונמצא דימורפי מבחינה מינית. ראיות רבות מצביעות כי מבחינה אנטומית ההיפוקמפוס שונה בצורה משמעותית בין גברים לנשים, כמו גם במאפייני פעילות הנוירוטרנסמיטורים שפעילים בו ובתגובתיות שלו לאירועים מעוררי לחץ. כמו כן, מחקרי הדמיה מוחית מראים באופן עקבי כי אצל נשים, בהשוואה לגברים, ההיפוקמפוס גדול יותר ביחס לגודל המוח הכולל.
הבדלים מוחיים תפקודיים בין נשים לגברים.
הורמונים ונוירוטרנסמיטורים.
מבחינה הורמונלית, קיומו של דימורפיזם מוחי מיני בבני אדם מושפע משוני בפעילותם של טסטוסטרון ואסטרדיול בין המינים. כאמור, יצירת הדימורפיזם המוחי המיני בעוברות ובינקות המוקדמת כוללת כנראה מעורבות של טסטוסטרון שהופך לאסטרדיול. עם זאת, גם בגיל ההתבגרות פעילותם של הורמונים אלה נבדלת בין המינים, ואולי יוצרת שוני ביניהם במבנה המוח. ממצאים על תקופה זו מראים כי הפרשה רבה יותר של טסטוסטרון אצל נערים קשורה לעלייה בנפח החומר האפור הכולל במוחם, בעוד שהפרשת אסטרדיול רבה יותר אצל נערות קשורה בירידה בנפח החומר האפור באונות הפרונטלית, הפריאטלית והטמפורלית. ממצאים אלה שופכים אור על תפקיד האסטרדיול בהתפתחות המוח, שכן הורמון זה אינו מופרש במהלך התפתחות המוח העוברי. בין המינים קיימים אף הבדלים בפעילות של נוירוטרנסמיטורים במוח. נמצא כי הורמוני המין טסטוסטרון ואסטרוגן משפיעים באופן שונה על מערכות האחראיות על סינתזה, הפרשה וקליטה של דופמין, נוירוטרנסמיטור המעורב במצבי רוח ובתהליכים של תנועה; זאת באזורי הקורטקס הפרה-פרונטלי והסטריאטום של גברים לעומת נשים, בהתבגרות כמו בבגרות. הבדל מוחי תפקודי בין המינים נמצא אף בהקשר של נוראפינפרין, נוירוטרנסימטור המופרש בעת פעילות המערכת הסימפתטית בתגובה למצבי לחץ. מחקר מצא כי בין המינים קיים שוני בתפקידן של מולקולות הקרויות NET, אשר אחראיות על העברת הנוראפינפרין מהסינפסות אל חלקים במערכת הסימפתטית. השוני מתבטא בכך שפעילות הלב של גברים בוגרים תלויה באופן משמעותי יותר בפעילות מולקולות אלו במוח, זאת בשונה מנשים בוגרות. ממצא זה מצטרף לגוף ראיות המצביע על כך שפעילות מולקולות ה-NET בקרב נשים מופחתת באופן כללי, עובדה שכביכול הופכת אותן לרגישות יותר למצבי לחץ. בהקשר של סרוטונין, נוירוטרנסמיטור בעל תפקיד משמעותי ביותר בוויסות מצבי רוח, נמצא כי תרופות נוגדות דיכאון המבוססות על פעילות הסרוטונין יעילות יותר בקרב נשים מאשר בקרב גברים. ממצא זה מתקשר לממצאים קודמים שהראו כי אצל נשים תפקוד המולקולות האחראיות על שינוע הסרוטונין (serotonin transporters) גבוה יותר, כך שניתן לשער שפעילות הסרוטונין אצל נשים יעילה יותר. בנוסף נמצאו הבדלים בין המינים בפעילות של קולטנים (רצפטורים) שונים של סרוטונין, הבדלים הנובעים בחלקם מפעילות של הורמוני המין טסטוסטרון ואסטרדיול.
הסטרואיד אנדרוסטאדינואין, שהוא אות כימי גברי משוער, מעורר הבדלים בפעילות ההיפותלמוס בין גברים ונשים הטרוסקסואלים בוגרים. ריח אנדרוסטאדינואין השפיע על רמות ההורמונים של הנשים ועל תגובות ההתנהגות שלהן, כתלות בשלב המחזור החודשי. פעילות ההיפותלמוס בהקשר זה תלויה בנטייה מינית ובזהות מגדרית. גברים מבוגרים עם דיספוריה מגדרית היו בעלי תגובה היפותלמית דומה לנשים. בשנת 2014 בדקו חוקרים כיצד מגיבים ילדים לפני גיל ההתבגרות וילדים בגיל ההתבגרות לגירוי ריח עם אנדרוסטאדינואין. החוקרים מצאו כי ההבדלים בין המינים בתגובה לריח קיימת כבר אצל ילדים לפני גיל ההתבגרות. נערות ונערים עם דיספוריה מגדרית הגיבו לריח בהתאם למגדר שלהם, ולא לפי המין שנקבע בלידתם.
רשתות מוחיות.
בקרב גברים קיימת קישוריות מבנית רבה יותר לעומת נשים בתוך אונות המוח ובתוך ההמיספרות, בעוד שאצל נשים נמצאה קישוריות מבנית רבה יותר בין אונות המוח ובין ההמיספרות. ממצאים אלה לא כללו את אזור הצרבלום, בו למעשה נצפו אפקטים הפוכים. המסקנה העיקרית של החוקרים מממצאים אלה הייתה כי אצל גברים בממוצע קיימת יעילות רבה יותר בתפיסה, תכנון והוצאה לפועל של פעולות מוטריות, ואילו אצל נשים – יעילות רבה יותר בשילוב של ניתוח אנליטי יחד עם ניתוח הוליסטי. ממצאים אלו מתקפים עדויות ממבחני התנהגות אשר הראו כי בממוצע גברים נמצאו מהירים יותר במשימות מוטוריות או מוטוריות-תחושתיות ובעיבוד מרחבי, ואילו נשים נמצאו טובות יותר במשימות המערבות קשב, זיכרון מילולי או זיכרון פרצופים ובקוגניציה חברתית
נוירופתולוגיות הכוללות דימורפיזם מוחי מיני.
אלצהיימר.
אלצהיימר היא מחלה הפוגעת במוח, אשר בדרך כלל מתפרצת בגיל מבוגר ומהווה את הגורם השכיח ביותר של דמנציה. שכיחות המחלה גבוהה משמעותית בקרב נשים לעומת גברים. הסברים ביולוגיים להבדלים ספציפיים בין המינים במאפייני אלצהיימר כוללים מבנה שונה של המוח בין גברים לנשים, מאפייני תפקוד מוחי שהופכים את מוח הנשים לפגיע יותר למחלות ותפקוד קוגניטיבי גבוה יותר אצל גברים, אשר מהווה גורם מונע להתפרצות והתפשטות המחלה במוח.
סכיזופרניה.
סכיזופרניה היא אחת המחלות הפסיכיאטריות המורכבות והפחות מובנות כיום. שכיחות המחלה בדרך כלל גבוהה יותר אצל גברים לעומת נשים. אצל גברים גיל התפרצות המחלה מוקדם יותר, חוסר התפקוד במסגרתה גבוה יותר והאבנורמליות המבנית המוחית הנלווית אל המחלה רבה יותר. אבנורמליות זו כוללת ירידה בנפח המוח כולו ובאזורים באונות הפרונטלית והטמפורלית באופן ספציפי.
אוטיזם.
לקות זו נפוצה משמעותית יותר אצל גברים לעומת נשים, ביחס המוערך כארבעה גברים על כל אישה. תאוריה מרכזית בתחום עוסקת בתפקידו הנרחב של הורמון הטסטוסטרון בהופעת אוטיזם ונקראת "Extreme Male Brain Theory". תאוריה זו מציעה כי אוטיזם נוצר כתוצאה מתהליך מסקוליניזציה נרחב ולא מווסת של המוח בעת העוברות והינקות המוקדמת, תהליך אשר מכונה היפר-מסקוליניזציה.
שלילת קיומו של "מוח גברי" ו"מוח נשי".