Sinir sistemi, canlının iç ve dış ortamdaki değişimlere uyum sağlamasını sağlayan temel kontrol mekanizmalarından biridir. Bu sistemin işleyişi dört ana fonksiyonel özellik üzerine kuruludur: Uyarılabilirlik (reseptör fonksiyonu), iletkenlik (nöron fonksiyonu), ilinti/bağıntı (merkezi sinir sistemi fonksiyonu) ve reaksiyon (efektör organ fonksiyonu).
Sinyal iletimi, özelleşmiş hücreler olan nöronlar aracılığıyla gerçekleşir. Sensorik (afferent) nöronlar reseptörlerden aldıkları bilgiyi merkezi sinir sistemine taşırken, motorik (efferent) nöronlar merkezi sinir sisteminden gelen yanıtı kas veya salgı bezleri gibi efektör organlara iletir. Bu iki grup arasında ise kompleks fonksiyonları yöneten internöronlar yer alır.
Nöronların sağlıklı çalışması ve desteklenmesi için nöroglia hücreleri kritik rol oynar. Mikroglia hücreleri fagositoz yetenekleri ile savunma yaparken, makroglia grubundan oligodendrositler merkezi sinir sisteminde miyelin kılıfı oluşturur, astrositler ise kan-beyin bariyerini meydana getirerek sinir dokusunun korunmasını sağlar.
Sinir sisteminin en basit fonksiyonel birimi refleks arkıdır. Bu yapı, bir duyu siniri aracılığıyla alınan uyarının omuriliğe iletilmesi, burada değerlendirilip bir yanıt oluşturulması ve motor sinir yoluyla efektör organa iletilmesi sürecini kapsar.
Bir nöron temel olarak hücre gövdesi, sinyalleri kabul eden dendritler ve sinyali uzağa ileten aksonlardan oluşur. Aksonların etrafını saran miyelin kılıf, iletim hızını artıran yalıtkan bir lipoit tabakadır. Bu kılıf üzerinde bulunan Ranvier boğumları, sinirsel iletimin bir boğumdan diğerine atlayarak çok daha hızlı gerçekleşmesini sağlar.
Sinir hücresinin istirahat halindeki elektriksel dengesi, sodyum ve potasyum iyonlarının membran geçirgenliği ve iyon pompaları tarafından korunur. Aksiyon potansiyeli ise, uyarılabilir hücrelerde 1-4 milisaniye gibi çok kısa bir sürede gerçekleşen ve -70 mV'tan +30 mV'a kadar çıkan hızlı potansiyel değişimleridir.
Sinapslar, bir nöronun diğeriyle veya efektör hücreyle bağlantı kurduğu, sinyallerin iletildiği veya inhibe edildiği özelleşmiş bölgelerdir. İmpulsu geçiren sinapslar uyarıcı, geçirmeyenler ise inhibe edici sinaps olarak adlandırılır.
Sinaptik iletim tek yönlüdür ve belirli bir gecikme süresine sahiptir. Bu bölgeler yüksek metabolik hıza sahip oldukları için anoksi (oksijensizlik) ve anestezi gibi durumlara karşı oldukça duyarlıdırlar. Ayrıca kafein ve teofilin gibi maddeler sinaptik bağlantıları doğrudan etkileyebilir.
Nörotransmitter maddeler, presinaptik nörondan salgılanan ve postsinaptik membrandaki reseptörlere bağlanarak biyolojik yanıtı başlatan kimyasallardır. Asetilkolin ve noradrenalin gibi maddeler bu kriterlere tam uyarken; dopamin, serotonin ve GABA gibi maddeler kısmi uyum gösterir. Görevlerini tamamlayan bu maddeler, enzimler aracılığıyla hızla ortamdan uzaklaştırılır.
Duyu reseptörleri, çevredeki çeşitli enerji formlarını (ışık, ısı, basınç, kimyasal) sinir impulslarına dönüştüren yapılardır. Bu süreç; resepsiyon, transdüksiyon (dönüştürme), amplifikasyon (güçlendirme), transmisyon (iletim) ve entegrasyon aşamalarından oluşur.
Reseptörler bulundukları yere göre enteroseptör (iç organlar), eksteroseptör (dış ortam) ve proprioseptör (kas ve eklemler) olarak sınıflandırılır. Duyarlı oldukları enerji formuna göre ise mekanoreseptörler, kemoreseptörler, termoreseptörler, fotoreseptörler ve nosiseptörler (ağrı) şeklinde ayrılırlar.
Dokunma duyusu, Meissner korpüskülleri, Merkel diskleri ve Pacini korpüskülleri gibi farklı özellikteki reseptörlerle algılanır. Ağrı duyusu ise somatik (yüzeysel/derin) ve visseral olmak üzere ayrılır. Özellikle yansıyan ağrı, iç organlardan gelen uyarıların omuriliğin aynı segmentine girmesi nedeniyle vücudun farklı bir bölgesinde hissedilmesi durumudur.
Merkezi sinir sistemi; beyin kökü, diensefalon, serebrum ve serebellum gibi bölümlerden oluşur. Beyin kökü, solunum, sindirim ve dolaşım gibi hayati vejetatif fonksiyonların merkezidir. Retiküler formasyon ise vücudun uyanık tutulmasından ve algıda seçicilikten sorumludur.
Hipotalamus, vücudun iç dengesini (homeostasis) yöneten ana merkezdir; açlık, susuzluk, vücut ısısı ve endokrin sistem üzerinde doğrudan kontrol sahibidir. Serebrum ise akıl yürütme, hafıza ve bilinçli hareketlerin merkezidir. Limbik sistem, korku, öfke ve hayatta kalma davranışlarını düzenler.
Otonom sinir sistemi, sempatik ve parasempatik olmak üzere ikiye ayrılır. Sempatik sistem 'savaş ya da kaç' tepkisiyle tehlike anında devreye girerken; parasempatik sistem dinlenme ve sindirim süreçlerini, yani vücudun enerji koruma ve onarım faaliyetlerini yönetir.