Sinir sisteminin en temel fonksiyonel ve yapısal birimi nöron adı verilen özelleşmiş hücrelerdir. Nöronlar, uyarılabilme ve hücre zarları boyunca aksiyon potansiyeli oluşturup bunu iletebilme yetenekleriyle diğer vücut hücrelerinden ayrılırlar. İnsan sinir sisteminde yaklaşık 100 milyar nöron bulunmakta ve bu hücrelere desteklik sağlayan, beslenmelerine ve korunmalarına yardımcı olan trilyonlarca glia (destek) hücresi eşlik etmektedir. Bir nöron anatomik ve fonksiyonel olarak üç ana bölüme ayrılarak incelenir: dendritler, soma (hücre gövdesi) ve akson.
Dendritler, nöronun gövdesinden çıkan ve ağaç dallarını andıran çok sayıda ince uzantılardır. Bu yapılar, diğer nöronlardan veya çevresel reseptörlerden gelen elektrokimyasal uyarıları almak ve hücre gövdesine iletmekle görevlidir. Nöronlar arasındaki bağlantıların, yani sinapsların kurulduğu birincil bölgeler dendritlerdir. Soma veya hücre gövdesi ise nöronun metabolik merkezidir. İçerisinde hücre çekirdeği, mitokondriler ve diğer organeller yer alır. Somanın en belirgin özelliklerinden biri, granüllü endoplazmik retikulum yapısında olan ve protein sentezinde kritik rol oynayan Nissl cisimcikleridir. Burada sentezlenen proteinlerin bir kısmı hücre içi metabolizmada kullanılırken, bir kısmı da akson boyunca taşınarak akson sonlanmalarına ulaştırılır.
Akson (sinir lifi), somada oluşan elektriksel impulsları (uyartıları) diğer nöronlara, kaslara veya salgı bezlerine ileten tek ve uzun bir uzantıdır. Aksonların boyu işlevlerine göre büyük değişkenlik gösterir; örneğin, omurilikten çıkıp ayak kaslarına kadar uzanan bir motor nöronun akson boyu 1 metreyi aşabilir. Aksonların uç kısımlarında dallanmalar meydana gelir ve bu bölgelere akson sonlanmaları denir. Akson sonlanmalarında, kimyasal iletimi sağlayan nörotransmitter maddeleri (asetilkolin, noradrenalin, serotonin vb.) depolayan sinaptik veziküller bulunur. Bu kimyasallar, sinirsel iletinin bir sonraki hücreye aktarılmasında anahtar rol oynarlar.
Bir nörondan diğer bir nörona ya da kas ve bez gibi hedef hücrelere impuls aktarımı sinaps adı verilen özel bağlantı bölgelerinde gerçekleşir. Sinir sistemi genelinde elektriksel sinapslar da bulunmakla birlikte, işleyişin büyük kısmı kimyasal sinapslar üzerinden yürütülür. Akson boyunca elektriksel bir dalga (aksiyon potansiyeli) şeklinde ilerleyen sinirsel ileti, akson sonlanmasına ulaştığında karakter değiştirerek kimyasal bir iletiye dönüşür. İki hücrenin karşı karşıya geldiği dar boşluğa sinaptik aralık denir ve kimyasal ileticiler bu boşluğa salınarak hedef hücredeki reseptörlere bağlanır.
Sinapslar sadece basit birer geçiş noktası değil, aynı zamanda nöronal impulsların ilk değerlendirme ve filtreleme merkezleridir. Presinaptik (sinaps öncesi) nörondan salgılanan nörotransmitterler, postsinaptik (sinaps sonrası) hücrenin membranında bulunan spesifik reseptörlere bağlanarak hücrede uyarılma (kolaylaştırıcı etki) veya baskılanma (durdurucu etki) meydana getirirler. İnsan vücudunda 100'den fazla farklı nörotransmitter tanımlanmıştır. Bu çeşitlilik sayesinde, sinapsa ulaşan bir uyarı salgılanan kimyasalın türüne ve bağlandığı reseptöre göre ya bir sonraki hücreye aynen iletilir, ya tamamen durdurulur ya da iletimi kolaylaştırılır.
Bu kimyasal dönüşüm süreci, sinir sistemindeki en yavaş iletim aşamasını oluşturur. Akson boyunca milisaniyeler içinde ilerleyen elektriksel dalga, sinaptik aralıktaki kimyasal salınım, difüzyon ve reseptör bağlanma süreçleri nedeniyle belirgin bir gecikmeye uğrar. Bu nedenle, bir sinirsel yolakta ne kadar çok nöron ve dolayısıyla ne kadar çok sinaps bulunuyorsa, uyarana karşı verilecek yanıtın süresi de o oranda uzamaktadır.
Bir nöronun uyarılabilmesi ve bir impuls (uyartı) oluşturabilmesi için, gelen uyarının o nörona özgü minimum bir şiddete ulaşması gerekir. Bu minimum şiddete 'eşik değer' veya 'eşik şiddeti' adı verilir. Sinir hücresi, eşik değerin altındaki uyarılara hiçbir şekilde yanıt vermez ve aksiyon potansiyeli oluşturmaz. Ancak uyaranın şiddeti eşik değere ulaştığında veya bu değerin üzerine çıktığında, nöron her seferinde aynı maksimum güçte yanıt verir. Bu fizyolojik prensibe 'hep ya da hiç yasası' denir.
Hep ya da hiç yasası gereği, uyarının şiddetinin, frekansının veya uygulanma süresinin artırılması, nöronda oluşan tek bir impulsun hızını veya genliğini kesinlikle değiştiremez. Uyaranın şiddeti arttığında değişen tek şey, nöronun birim zamanda oluşturduğu impuls sayısı, yani ateşleme frekansıdır. Örneğin, hafif bir dokunma ile şiddetli bir acı arasındaki fark, iletilen impulsun hızıyla değil, birim zamanda beyne ulaşan impuls sayısıyla (frekansıyla) kodlanır.
Nörondaki impuls iletim hızını belirleyen ana unsurlar nöronun kendi fiziksel ve yapısal özellikleridir. İletim hızını artıran en önemli faktörlerden biri aksonun etrafını saran miyelin kılıfın varlığıdır; miyelinli nöronlar, miyelinsiz olanlara göre çok daha yüksek hızlarda iletim gerçekleştirirler. İkinci önemli faktör ise akson çapıdır; akson çapı genişledikçe iç direnç azalacağı için impuls iletim hızı da doğru orantılı olarak artış gösterir.
Sinir sistemindeki nöronlar üstlendikleri görevlere göre üç ana tipe ayrılırlar: duyu nöronları, ara nöronlar ve motor nöronlar. Duyu nöronları (afferent sinirler), iç ve dış çevreden aldıkları duyusal bilgileri (sıcaklık, ağrı, ışık vb.) merkezi sinir sistemine taşıyan miyelinsiz ve yavaş iletim hızına sahip liflerdir. Ara nöronlar, tamamen merkezi sinir sistemi (beyin ve omurilik) içinde yer alırlar ve duyu nöronları ile motor nöronlar arasındaki bağlantıyı kurarak bilginin değerlendirilmesini sağlarlar. Motor nöronlar (efferent sinirler) ise merkezi sinir sisteminde hazırlanan yanıtları ve emirleri kaslar veya salgı bezleri gibi icra organlarına taşıyan, miyelinli ve yüksek iletim hızına sahip liflerdir.
İnsan sinir sistemi anatomik ve fonksiyonel olarak iki ana bölüme ayrılarak incelenir: Merkezi Sinir Sistemi (MSS) ve Periferik Sinir Sistemi (PSS). Bu ayrım bir bilgisayar sistemine benzetilebilir. Periferik sinir sistemi, dış dünyadan veya vücut içinden gelen verileri toplayıp merkeze aktaran ve merkezden gelen komutları uç organlara ileten bir giriş-çıkış donanımı gibi çalışır. Merkezi sinir sistemi ise gelen tüm verileri işleyen, yorumlayan, depolayan ve uygun yanıtları hazırlayan bir ana işlemci (CPU) görevi görür.
Merkezi sinir sistemi beyin ve omurilikten oluşurken; periferik sinir sistemi bu merkezi yapıları vücudun diğer bölgelerine bağlayan sinir liflerinden meydana gelir. Periferik sistem kendi içinde istemli hareketleri kontrol eden somatik sinir sistemi ve istemsiz iç organ fonksiyonlarını düzenleyen otonom sinir sistemi olarak ikiye ayrılır. Otonom sistem de sempatik ve parasempatik olmak üzere birbirine zıt çalışan iki alt birim barındırır.
Merkezi sinir sistemini oluşturan beyin ve omurilik, dıştan içe doğru üç katmanlı beyin zarı (menings) ile sarılıdır. Bu zarların katmanları arasında dolaşan beyin omurilik sıvısı (BOS), merkezi sinir sistemini mekanik darbelerden korur ve hücrelerin metabolik ihtiyaçlarının karşılanmasında hayati bir rol oynar. İnsan beyni simetrik iki yarımküreden (hemisfer) oluşur ve bu yarımküreler vücudun zıt yönlerini çapraz olarak kontrol eder. Sol yarımküre genellikle dil, mantık, matematiksel analiz ve detaylı düşünme konularında baskınken; sağ yarımküre sanat, müzik, hayal gücü ve üç boyutlu algılama yeteneklerinde ön plana çıkar.
Beynin en dış kısmını kaplayan ve en gelişmiş bölgesi olan serebral korteks (beyin kabuğu), 2.0 ila 5.0 mm kalınlığında olup istemli hareketlerin planlanması, duysal algılama, düşünme ve dil yeteneği gibi üst düzey bilişsel işlevleri yürütür. Korteks; frontal lob (istemli hareket planlaması, davranış kontrolü), pariyetal lob (duysal algılama), oksipital lob (görme) ve temporal lob (koku, işitme, tat) olmak üzere dört ana loba ayrılmıştır. Korteksin altındaki talamus, koku hariç tüm duyusal bilgilerin toplandığı ve kortekse yönlendirildiği bir ön bilgi işlem kapısıdır. Hipotalamus ise vücut sıcaklığı, sıvı dengesi, açlık-tokluk ve hormon sistemlerini düzenleyerek homeostazı (iç dengeyi) korur.
Limbik sistem (amigdala, hipokampus vb.) korku, öfke ve sevinç gibi duygusal tepkileri yönetirken; arka beyinde yer alan serebellum (beyincik) hareketlerin dengeli, koordineli ve pürüzsüz olmasını sağlar. Beyin sapı (bulbus ve pons), omurilik ile üst beyin merkezleri arasındaki bağlantıyı kurarak kan basıncı, solunum, uyku-uyanıklık döngüsü ve dikkat kontrolü gibi yaşamsal fonksiyonları idare eder. Omurilik (medulla spinalis) ise beyne bilgi taşıyan çıkan yollar ile beyinden emir getiren inen yolları barındıran, aynı zamanda reflekslerin kontrol edildiği ana merkezdir.
Refleks, dışarıdan veya içeriden gelen ani bir uyarana karşı vücudun gösterdiği istemsiz, hızlı ve planlanmamış koruyucu yanıttır. Reflekslerin gerçekleştiği nöronal hatta 'refleks yayı' denir. Tipik bir refleks yayı beş temel bileşenden oluşur: uyaranı algılayan reseptör, uyaranı omuriliğe taşıyan afferent (duyu) yolak, bilginin değerlendirildiği merkez (omurilik ara nöronları), yanıtı kaslara götüren efferent (motor) yolak ve son olarak hareketi gerçekleştiren icra organı (efektör kas). Bu mekanizma sayesinde, elimize sıcak bir nesne değdiğinde beyin durumu algılayıp karar verene kadar geçen süreyi beklemeden, omurilik düzeyinde üretilen hızlı bir kararla elimizi hemen çekeriz.
Refleksler kökenlerine göre doğuştan gelen (kalıtsal) ve sonradan kazanılan (şartlı) refleksler olarak ikiye ayrılır. Göz kapağının kırpılması, bebeklerdeki emme ve yakalama refleksleri kalıtsal reflekslere örnektir. Sonradan kazanılan refleksler ise öğrenme ve sürekli tekrarlama yoluyla omurilik düzeyine yerleşen davranışlardır. Rus fizyolog Ivan Pavlov'un köpeklerde zil sesiyle salya salgılanması arasında kurduğu ilişki şartlı refleksin en klasik örneğidir. Günlük hayatta araba kullanmak, dans etmek veya örgü örmek gibi karmaşık aktiviteler de başlangıçta korteks kontrolünde öğrenilip zamanla kazanılmış reflekslere dönüşür.
Periferik sinir sistemi ise somatik ve otonom sinir sistemi olarak ikiye ayrılır. Somatik sistem, iskelet kaslarının istemli hareketlerini ve duyu organlarından gelen bilgileri yönetir. Otonom sinir sistemi ise iç organların, düz kasların ve salgı bezlerinin istemsiz çalışmalarını düzenler. Otonom sistemin sempatik bölümü acil durumlarda 'savaş ya da kaç' tepkisini tetikleyerek kalp atışını ve kan basıncını artırırken, parasempatik bölümü vücudu sakinleştirip 'dinlen ve sindir' moduna geçirerek enerji tasarrufu sağlar.