Hjernen og sanseapparatet ble forbedret i forhold til lansettfisk og sekkdyr. De delene av hjernen som allerede fantes fra før, kalles for- og mellomhjerne. Hos virveldyrene ble hjernen utvidet bakover med midthjernen, hjernebroen og det forlengete marg. Mellomhjernen ga opphav til linseøyne, som gjør det mulig å ikke bare skille mellom lyst og mørkt, men også å fokusere. Dessuten oppstod sidelinjeorganet, som bl.a. sanser bevegelse i vannet. Et avsnitt av sidelinjeorganet ble forskjøvet inn i hodet og danner der labyrinten, et kombinert hørsels-, statisk likevekts- og bevegelsesorgan.