ヒトの脳
肥満細胞は脳の神経免疫系(英語版)で相互作用を行なう白血球である。中枢神経系の肥満細胞は髄膜をはじめ多くの部位に存在し、炎症が起こった際に神経免疫反応を取り持ち、血液脳関門の維持を助けると共に、特に血液脳関門が無い脳部位において働く。肥満細胞は中枢神経系と体内の他の部位で同様の多岐にわたる役割を果たし、例えばアレルギー反応の作用と統制、先天性免疫(英語版)と適応免疫、自己免疫、炎症への対処が挙げられる。肥満細胞は主たるエフェクター細胞(英語版)として働き、これを介して病原体は消化管と中枢神経系との間で交わされる生化学的シグナルのやりとりへ影響を及ぼすことになる。
約400の遺伝子が脳に限局して働くものと分かっている。全ての神経細胞でELAVL3が発現しており、錐体細胞ではNRGNとREEP2も発現している。神経伝達物質GABAの生合成に欠かせないGAD1は介在ニューロンで発現している。グリア細胞で発現する蛋白質としては、アストロサイト・マーカーのGFAPとS100Bがある。ミエリン塩基性蛋白、転写因子のOLIG2はオリゴデンドロサイトで発現する。
脳の自律神経系による自律機能としては、心拍数と呼吸数の調節と周期統制、恒常性(ホメオスタシス)の維持といったものがある。
延髄の血管運動中枢(英語版)は血圧と心拍数に影響を及ぼし、動脈と静脈が静止していくぶん収縮した状態にする。これは迷走神経を介して交感神経系と副交感神経系に影響を及ぼすことで実現する。血圧に関する情報は大動脈弓の大動脈体(英語版)にある圧受容器で生み出され、迷走神経の求心性神経を通じて脳に伝わる。頸動脈洞での血圧変化に関する情報は総頸動脈の近くにある頸動脈小体から来て、舌咽神経につながる頸動脈洞神経(英語版)を介して伝えられる。この情報は延髄の孤束核(英語版)へ上る。ここからの信号は、それに従って静脈と動脈の収縮を調整するよう血圧運動中枢に作用する。
脳は主に延髄と橋の呼吸中枢(英語版)で呼吸数を調整する。呼吸中枢は呼吸を調整するが、それは運動信号を生成して脊髄に下ろし、横隔神経を通じて横隔膜と呼吸筋へ伝えることで行なわれる。これは感覚情報を中枢神経へ送り返しもする混合神経である。呼吸中枢には4種類あり、うち3つはその機能が明確になっているが、持続性吸息中枢は機能があまり明確でない。延髄において、背側の吸息性ニューロンが集まっている領域は息を吸い込もうとする働きをし、体から直接に感覚情報を受け取る。
内頸動脈は酸素を充分に含んだ血液を脳の吻側へ、椎骨動脈は尾側へ運ぶ。この2つの流れは、中脳と橋の間の脚間槽(英語版)にある環状に動脈が繋がった大脳動脈輪で合流する。
内頸動脈は総頸動脈から分枝し、頸動脈管(英語版)を通じて頭蓋骨に入り、海綿静脈洞を通ってクモ膜下腔に入る。そして大脳動脈輪に入り、2本の前大脳動脈(英語版)に分かれる。前大脳動脈はまず前方へ、次いで大脳縦裂に沿って上行し、脳の前部と中部に血液を供給する。1本ないし複数の細い前交通動脈(英語版)が分枝の直後に2本の前大脳動脈に合流する。内頸動脈は中大脳動脈と名を変えて先へ続き、眼窩の蝶形骨に沿って横へ進み、島皮質を通って上行し、そこで最後の分枝が起こる。中大脳動脈はその経路全体で枝を生やしている。
椎骨動脈は左右の鎖骨下動脈から分枝し、頸椎に開いた横突孔を通って上へ延び、延髄の両側面に沿いながらそれぞれ大後頭孔を通って頭蓋内腔へ入り、また後下小脳動脈を分枝させる。左右の椎骨動脈は延髄の半ばで合流してより太い脳底動脈(英語版)となり、それが何本かの枝を出して延髄と橋へ血液を送ると共に、前下小脳動脈(英語版)と上小脳動脈(英語版)も分枝させる。最終的に脳底動脈は2本の後大脳動脈(英語版)に分枝する。それらは外側へ向かい、上小脳脚の周りと小脳テントの上を通り、枝を延ばして側頭葉と後頭葉に血液を供給する。それぞれの後大脳動脈は、内頸動脈に接続する細い後交通動脈を分枝させる。
ヒトの脳は体全体の20%近くのエネルギーを消費し、それは他のどの器官よりも多い。ヒトの場合、血中のグルコース(血糖)はほとんどの細胞にとって最も重要なエネルギー源であり、脳を含め多くの組織が正常に機能するために欠かせない。絶食して安静にした場合、ヒトの脳は血中のグルコースの約60%を消費する。脳の代謝はエネルギー源として通常は血中のグルコースを利用するが、低血糖の時(例えば断食、持久力トレーニング、糖質制限ダイエットなどの時)は、脳はグルコースをあまり必要としないよう、ケトン体を燃料に使う。脳は活動時に乳酸塩も利用する。脳はグルコースをグリコーゲンの形で蓄えるが、肝臓や骨格筋に比べるとその量はかなり少ない。長鎖脂肪酸は血液脳関門を通過できないが、肝臓はそれを分解してケトン体にすることができる。一方、短鎖脂肪酸(例えば酪酸、プロピオン酸、酢酸)、中鎖脂肪酸、カプリル酸、エナント酸は、血液脳関門を通過して脳細胞により代謝される。
小脳は、前葉、後葉、片葉小節葉に分けられる。前葉と後葉は小脳虫部によって中央がつながっている。大脳皮質に比べると、小脳の皮質はかなり薄く、細かい皺がカーブした多数の横裂を形作っている。
片葉小節葉は、前葉と後葉の間を下から見た位置にある。小脳は頭蓋内腔の後ろ、後頭葉の下にあり、繊維が膜状に張られた小脳テントによってそれらと隔てられている。
小脳は、上小脳脚で脳幹の中脳と、中小脳脚で橋と、下小脳脚で延髄と繋がっている。小脳は白質である内髄質と、深く皺の寄った灰白質である皮質外層からなる。小脳の前葉と後葉は、複雑な随意運動を調和のとれた円滑なものとする役割を果たす。片葉小節葉は平衡感覚の維持を受け持つが、その認知、行動、運動に関する機能については議論がある。
脳の研究は1880年代になると顕微鏡の利用とカミッロ・ゴルジによるゴルジ染色の発明でさらに高度なものとなった。このことは、各神経細胞ごとにその複雑な構造を調べることを可能にした。これによってサンティアゴ・ラモン・イ・カハールはニューロン説の着想に至ったが、ニューロンを脳の機能単位とするこの説は当時革新的な理論だった。彼は顕微鏡を使って様々な細胞タイプを明らかにし、それらの細胞の機能について推測を立てた。これにより、ゴルジとカハールは20世紀における神経科学の開祖とみなされており、その分野における研究と発見により1906年にノーベル賞を共同受賞した。
1906年にチャールズ・シェリントンは名著『神経系の統合作用』を著し、そこで反射作用の機能、神経系の進化、脳の機能的な特殊化、中枢神経系の構造とその細胞の働きについて記した。1938年にジョン・ファーカー・フルトン(英語版)は『ジャーナル・オブ・ニューロフィジオロジー』を創刊し、神経系の生理学に関する初の網羅的な教科書を発刊した。20世紀のうちに神経科学は統合されたひとつの明確な学問分野とみなされるようになり、その確立にはデイビット・リオク(英語版)、フランシス・O・シュミット(英語版)、スティーブン・クフラー(英語版)が重要な役割を果たした。リオクは、1950年代に立ち上げられたウォルター・リード陸軍研究所(英語版)で基礎的な解剖学・生理学的研究と臨床精神医学との統合に先鞭をつけた。
バイオインフォマティクスは、データベースとコンピュータを用いた統計手法の出現と進歩により現われた研究分野で、ヒトの脳を特に遺伝子とタンパク質の発現という側面から研究する。バイオインフォマティクスとゲノミクスの研究、および機能ゲノミクスは、遺伝子およびその位置と機能を同定するDNAアノテーション(英語版)とトランスクリプトーム技術(英語版)への需要を作り出した。GeneCards(英語版) がよく使われるデータベースである。
2017年時点で、2万弱のタンパク質コード遺伝子がヒトで発現していると考えられており、そのうち約400が脳に特化している。脳における遺伝子発現に関して得られてきたデータは、多くの疾患についてさらなる研究を促進させてきた。例えば長期間のアルコール摂取は脳における遺伝子発現を変容させ、アルコール依存症に関係すると思われる細胞型特異的変化を引き起こすことが分かった。これらの変化は前頭前野のシナプスのトランスクリプトームで見られ、人をアルコール依存および他の薬物乱用へと駆り立てる原因となる要素と考えられている。
関連するその他の研究は、脳の老化によるシナプスの変容と消失を実証してきた。遺伝子発現の変化は様々な神経経路における蛋白質の度合いを変容させ、これがシナプス接続の機能不全と消失の証拠となってきた。この機能不全は脳の多くの構造に影響を与え、抑制性ニューロンに著しい効果をもたらすことで神経伝達の水準を低下させ、認知の悪化や疾患につながる。