Sistem saraf
Walaupun refleks paling sederhana mungkin dimediasi oleh sirkuit berada sepenuhnya di dalam sumsum tulang belakang, respon lebih kompleks/rumit bergantung pada pemprosesan sinyal di dalam otak. Pertimbangkan, contohnya, apa yang terjadi ketika sebuah benda dalam daerah visual perifer bergerak, dan seseorang melihat ke arahnya. Respons sensoris awal, dalam retina mata, dan respons motorik
akhir, dalam inti okulomotor dari batang otak, semuanya tidaklah berbeda dari semua di refleks sederhana, tetapi dalam tahap antara benar-benar berbeda. Tidak hanya 1 atau 2 langkah rangkaian pemrosesan, sinyal visual melewati mungkin selusinan tahap integrasi, melibatkan thalamus, cerebral cortex, basal ganglia, superior colliculus, cerebellum, dan beberapa inti batang otak).
Daerah-daerah ini membentuk fungsi pemrosesan sinyal yang meliputi deteksi fitur, analisis persepsi, pemanggilan kembali ingatan, pengambilan keputusan, dan perencanaan motorik.
Deteksi fitur adalah kemampuan untuk mengekstraksi secara biologis informasi yang relevan dari kombinasi sinyal sensoris. Dalam sistem penglihatan, contohnya, reseptor sensoris dalam retina mata hanya mampu untuk mendeteksi "titik cahaya" dalam dunia luar secara individual. Neuron penglihatan tingkat kedua menerima masukan dari kelompok-kelompok reseptor primer, neuron yang lebih tinggi menerima masukan
dari kelompok-kelompok neuron tingkat kedua, dan seterusnya, membentuk tingkatan proses hierarkis. Pada setiap tahapan, infromasi penting diekstraksi dari sinyal yang dikumpulkan dan informasi yang tidak penting dibuang. Di akhir proses, masukan sinyal mewakili "titik cahaya" telah ditransformasikan menjadi perwakilan saraf dari obyek dalam dunia sekitarnya dan
sifatnya. Pemrosesan sensoris paling canggih terjadi dalam otak, tetapi fitur ekstraksi kompleks juga terjadi di sumsum tulang belakang dan organ sensoris periferal seperti retina.
Walaupun mekanisme respons-stimulus adalah yang paling mudah dimengerti, sistem saraf juga dapat mengontrol tubuh dalam berbagai cara yang tidak memerlukan stimulus luar, melalui irama aktivitas yang dihasilkan dari dalam. Karena berbagai kanal ion sensitif terhadap voltasi yang dapat melekat dalam membran dalam sebuah neuron, berbagai jenis neuron mampu, bahkan dalam isolasi,
menggenerasikan sekuens irama potensial aksi, atau perubahan irama di antara ledakan tingkat tinggi dan masa tenang. Ketika neuron secara irama intrinsik terkoneksi dengan yang lain oleh respons sinaps-sinaps eksitatoris atau penghambatan, jaringan kerja yang dihasilkan mampu menghasilkan tingkah laku dinamis yang beragam, termasuk dinamika penarikan ("attractor"), periodisitas, dan bahkan chaos. Sebuah jaringan
kerja neuron yang menggunakan struktur internalnya untuk menghasilkan keluaran terstruktur secara temporer, tanpa memerlukan stimulus terstruktur yang berkorespondensi secara temporer disebut sebagai generator pola pusat.
Penggenerasian pola internal beroperasi dalam rentang yang luas berdasarkan skala waktu, dari millidetik sampai jam atau lebih lama lagi. Satu dari jenis penting pola temporal adalah irama sirkadian- yaitu, irama dengan sebuah periode kira-kira 24 jam. Semua hewan yang telah diteliti menunjukkan fluktuasi sirkadian dalam aktivitas neural, yang mengontrol perubahan sirkadian
dalam tingkah laku seperti siklus tidur-bangun. Penelitian dari tahun 1990an telah menunjukkan bahwa irama sirkadian digenerasikan oleh sebuah "jam genetik" yang terdiri dari sekelompok gen khusus yang kadar ekspresinya meningkat dan menurun sepanjang hari. Hewan yang beragam seperti serangga dan vertebrata memiliki sistem jam genetik yang sama. Jam sirkadian dipengaruhi oleh cahaya
tetapi terus berlanjut bekerja bahkan ketika kadar cahaya dipertahankan konstan dan tidak ada petunjuk waktu hari eksternal lain tersedia. Gen jam ini diekspresikan dalam berbagai bagian sistem saraf sebagaimana banyak organ periferal, tetapi dalam mamalia seluruh "jam jaringan" ini dipertahankan dalam sinkronisasi oleh sinyal yang keluar dari sebuah penjaga waktu utama dalam bagian kecil dalam otak yang disebut inti suprakiasmatik.
Semua sel dalam tubuh manusia memiliki muatan listrik yang terpolarisasi, dengan kata lain terjadi perbedaan potensial antara bagian luar dan dalam dari suatu membran sel, tidak terkecuali sel saraf (neuron). Perbedaan potensial antara bagian luar dan dalam membran ini disebut potensial membran. Informasi yang diterima oleh Indra akan diteruskan oleh saraf dalam
bentuk impuls. Impuls tersebut berupa tegangan listrik. Impuls akan menempuh jalur sepanjang akson suatu neuron sebelum dihantarkan ke neuron lain melalui sinapsis dan akan seperti itu terus hingga mencapai otak, dimana impuls itu akan diproses. Kemudian otak mengirimkan impuls menuju organ atau indra yang dituju untuk menghasilkan efek yang diinginkan melalui mekanisme pengiriman impuls yang sama.
Membran hewan memiliki potensial istirahat sekitar-50 mV s/d-90 mV, potensial istirahat adalah potensial yang dipertahankan oleh membran selama tidak ada rangsangan pada sel.
Datangnya stimulus akan menyebabkan terjadinya depolarisasi dan hiperpolarisasi pada membran sel, hal tersebut menyebabkan terjadinya potensial kerja. Potensial kerja adalah perubahan tiba-tiba pada potensial membran karena datangnya rangsang. Pada saat potensial kerja terjadi, potensial membran mengalami depolarisasi dari potensial istirahatnya (-70 mV)
berubah menjadi +40 mV. Akson vertebrata umumnya memiliki selubung mielin. Selubung mielin terdiri dari 80% lipid dan 20% protein, menjadikannya bersifat dielektrik atau penghambat aliran listrik dan hal ini menyebabkan potensial kerja tidak dapat terbentuk pada selubung mielin; tetapi bagian dari akson bernama nodus Ranvier tidak diselubungi oleh mielin.
Penghantaran rangsang pada akson bermielin dilakukan dengan mekanisme hantaran saltatori, yaitu potensial kerja dihantarkan dengan "melompat" dari satu nodus ke nodus lainnya hingga mencapai sinapsis.
Pada ujung neuron terdapat titik pertemuan antar neuron bernama sinapsis, neuron yang mengirimkan rangsang disebut neuron pra-sinapsis dan yang akan menerima rangsang disebut neuron pasca-sinapsis. Ujung akson setiap neuron membentuk tonjolan yang didalamnya terdapat mitokondria untuk menyediakan ATP untuk proses penghantaran rangsang dan vesikula sinapsis yang berisi neurotransmitter umumnya berupa asetilkolin (ACh), adrenalin dan noradrenalin.
Ketika rangsang tiba di sinapsis, ujung akson dari neuron pra-sinapsis akan membuat vesikula sinapsis mendekat dan melebur ke membrannya. Neurotransmitter kemudian dilepaskan melalui proses eksositosis. Pada ujung akson neuron pasca-sinapsis, protein reseptor mengikat molekul neurotransmitter dan merespon dengan membuka saluran ion pada membran akson yang kemudian mengubah potensial membran (depolarisasi atau hiperpolarisasi) dan menimbulkan potensial kerja pada neuron pasca-sinapsis.
Ketika impuls dari neuron pra-sinaps berhenti neurotransmitter yang telah ada akan didegradasi. Molekul terdegradasi tersebut kemudian masuk kembali ke ujung akson neuron pra-sinapsis melalui proses endositosis.
Dalam vertebrata, hal penting dalam perkembangan saraf embrionik meliputi kelahiran dan diferensiasi neuron dari sel punca, migrasi neuron yang belum matang dari tempat kelahiran mereka dalam embrio ke posisi akhir mereka, pertumbuhan akson dari neuron dan pengarahan "growth cone" motil melalui embrio menuju rekan postsinaptik, penghasilan sinaps di antara akson-akson ini dan rekan postsinaptik mereka, dan akhirnya perubahan seumur hidup dalam sinaps yang diduga mendasari pembelajaran dan ingatan.