Le système nerveux peut être divisé en fonction de son anatomie et de sa physiologie. Les divisions anatomiques sont les systèmes nerveux central et périphérique. Le SNC est le cerveau et la moelle épinière. Le SNP est tout le reste. Fonctionnellement, le système nerveux peut être divisé en régions responsables de la sensation, celles responsables de l'intégration et celles responsables de la génération de réponses. Toutes ces zones fonctionnelles se trouvent à la fois dans l'anatomie centrale et périphérique.

Compte tenu des régions anatomiques du système nerveux, il existe des noms spécifiques pour les structures au sein de chaque division. Un regroupement localisé de corps cellulaires de neurones est appelé noyau dans le SNC et ganglion dans le SNP. Un faisceau d'axones est appelé tractus dans le SNC et nerf dans le SNP. Alors que les noyaux et les ganglions se trouvent spécifiquement dans les divisions centrale ou périphérique, les axones peuvent traverser la frontière entre les deux. Un seul axone peut faire partie d'un nerf et d'un tractus. Le nom de cette structure spécifique dépend de son emplacement.

Le tissu nerveux peut également être décrit comme de la substance grise et de la substance blanche en fonction de son apparence dans les tissus non colorés. Ces descriptions sont plus souvent utilisées dans le SNC. La substance grise est l'endroit où se trouvent les noyaux et la substance blanche est l'endroit où se trouvent les tractus. Dans le SNP, les ganglions sont essentiellement de la substance grise et les nerfs sont de la substance blanche.

Le système nerveux peut également être divisé en fonction de la manière dont il contrôle le corps. Le système nerveux somatique (SNS) est responsable des fonctions qui entraînent le mouvement des muscles squelettiques. Toute fonction sensorielle ou intégrative qui entraîne le mouvement du muscle squelettique serait considérée comme somatique. Le système nerveux autonome (SNA) est responsable des fonctions qui affectent le tissu musculaire cardiaque ou lisse, ou qui amènent les glandes à produire leurs sécrétions. Les fonctions autonomes sont réparties entre les régions centrale et périphérique du système nerveux. Les sensations qui conduisent aux fonctions autonomes peuvent être les mêmes sensations qui participent à l'initiation des réponses somatiques. Les fonctions intégratives somatiques et autonomes peuvent également se chevaucher.

Une division spéciale du système nerveux est le système nerveux entérique, qui est responsable du contrôle des organes digestifs. Des parties du système nerveux autonome se chevauchent avec le système nerveux entérique. Le système nerveux entérique se trouve exclusivement en périphérie car il s'agit du tissu nerveux des organes du système digestif.

Le tissu nerveux contient deux principaux types de cellules : les neurones et les cellules gliales. Les neurones sont les cellules responsables de la communication par signaux électriques. Les cellules gliales sont des cellules de soutien, maintenant l'environnement autour des neurones.

Les neurones sont des cellules polarisées, en fonction du flux de signaux électriques le long de leur membrane. Les signaux sont reçus au niveau des dendrites, sont transmis le long du corps cellulaire et se propagent le long de l'axone vers la cible, qui peut être un autre neurone, du tissu musculaire ou une glande. De nombreux axones sont isolés par une substance riche en lipides appelée myéline. Des types spécifiques de cellules gliales fournissent cette isolation.

Plusieurs types de cellules gliales se trouvent dans le système nerveux, et elles peuvent être classées selon la division anatomique dans laquelle elles se trouvent. Dans le SNC, on trouve des astrocytes, des oligodendrocytes, de la microglie et des cellules épendymaires. Les astrocytes sont importants pour maintenir l'environnement chimique autour du neurone et sont cruciaux pour réguler la barrière hémato-encéphalique. Les oligodendrocytes sont les cellules gliales myélinisantes du SNC. La microglie agit comme des phagocytes et joue un rôle dans la surveillance immunitaire. Les cellules épendymaires sont responsables de la filtration du sang pour produire le liquide céphalorachidien, qui est un liquide circulatoire qui remplit certaines des fonctions du sang dans le cerveau et la moelle épinière en raison de la BHE. Dans le SNP, les cellules satellites sont des cellules de soutien pour les neurones, et les cellules de Schwann isolent les axones périphériques.

La sensation commence par l'activation d'une terminaison sensorielle, comme le thermorécepteur dans la peau qui détecte la température de l'eau. Les terminaisons sensorielles de la peau initient un signal électrique qui voyage le long de l'axone sensoriel au sein d'un nerf jusqu'à la moelle épinière, où il fait synapse avec un neurone dans la substance grise de la moelle épinière. L'information de température représentée dans ce signal électrique est transmise au neurone suivant par un signal chimique qui diffuse à travers le petit espace de la synapse et initie un nouveau signal électrique dans la cellule cible. Ce signal voyage à travers la voie sensorielle jusqu'au cerveau, passant par le thalamus, où la perception consciente de la température de l'eau est rendue possible par le cortex cérébral. Après l'intégration de cette information avec d'autres processus cognitifs et informations sensorielles, le cerveau envoie une commande à la moelle épinière pour initier une réponse motrice en contrôlant un muscle squelettique. La voie motrice est composée de deux cellules, le motoneurone supérieur et le motoneurone inférieur. Le motoneurone supérieur a son corps cellulaire dans le cortex cérébral et fait synapse sur une cellule de la substance grise de la moelle épinière. Le motoneurone inférieur est cette cellule de la substance grise de la moelle épinière et son axone s'étend dans la périphérie où il fait synapse avec un muscle squelettique dans une jonction neuromusculaire.

Le système nerveux est caractérisé par des signaux électriques qui sont envoyés d'une zone à l'autre. Que ces zones soient proches ou très éloignées, le signal doit voyager le long d'un axone. La base du signal électrique est la distribution contrôlée des ions à travers la membrane. Les canaux ioniques transmembranaires régulent le moment où les ions peuvent entrer ou sortir de la cellule, de sorte qu'un signal précis est généré. Ce signal est le potentiel d'action qui a une forme très caractéristique basée sur les changements de tension à travers la membrane pendant une période donnée.

La membrane est normalement au repos avec des concentrations établies de Na⁺ et K⁺ de chaque côté. Un stimulus déclenchera la dépolarisation de la membrane, et les canaux voltage-dépendants entraîneront une dépolarisation supplémentaire suivie d'une repolarisation de la membrane. Un léger dépassement d'hyperpolarisation marque la fin du potentiel d'action. Pendant qu'un potentiel d'action est en cours, un autre ne peut pas être généré dans les mêmes conditions. Tant que le canal Na⁺ voltage-dépendant est inactivé, aucun potentiel d'action ne peut être généré. Une fois que ce canal est revenu à son état de repos, un nouveau potentiel d'action est possible, mais il doit être déclenché par un stimulus relativement plus fort pour surmonter la sortie de K⁺ de la cellule.

Le potentiel d'action se propage le long de l'axone à mesure que les canaux ioniques voltage-dépendants sont ouverts par la dépolarisation qui se propage. Dans les axones non myélinisés, cela se produit de manière continue car il y a des canaux voltage-dépendants sur toute la membrane. Dans les axones myélinisés, la propagation est décrite comme saltatoire car les canaux voltage-dépendants ne se trouvent qu'aux nœuds de Ranvier et les événements électriques semblent «sauter» d'un nœud à l'autre. La conduction saltatoire est plus rapide que la conduction continue, ce qui signifie que les axones myélinisés propagent leurs signaux plus rapidement. Le diamètre de l'axone fait également une différence car les ions diffusant à l'intérieur de la cellule ont moins de résistance dans un espace plus large.

La base du signal électrique au sein d'un neurone est le potentiel d'action qui se propage le long de l'axone. Pour qu'un neurone génère un potentiel d'action, il doit recevoir une entrée d'une autre source, soit un autre neurone, soit un stimulus sensoriel. Cette entrée entraînera l'ouverture de canaux ioniques dans le neurone, ce qui produira un potentiel gradué basé sur la force du stimulus. Les potentiels gradués peuvent être dépolarisants ou hyperpolarisants et peuvent se sommer pour affecter la probabilité que le neurone atteigne le seuil.

Les potentiels gradués peuvent être le résultat de stimuli sensoriels. Si le stimulus sensoriel est reçu par les dendrites d'un neurone sensoriel unipolaire, tel que le neurone sensoriel se terminant dans la peau, le potentiel gradué est appelé potentiel générateur car il peut générer directement le potentiel d'action dans le segment initial de l'axone. Si le stimulus sensoriel est reçu par une cellule réceptrice sensorielle spécialisée, le potentiel gradué est appelé potentiel récepteur. Les potentiels gradués produits par les interactions entre les neurones au niveau des synapses sont appelés potentiels postsynaptiques (PPS). Un potentiel gradué dépolarisant au niveau d'une synapse est appelé un PPS excitateur, et un potentiel gradué hyperpolarisant au niveau d'une synapse est appelé un PPS inhibiteur.

Les synapses sont les contacts entre les neurones, qui peuvent être de nature chimique ou électrique. Les synapses chimiques sont beaucoup plus courantes. Au niveau d'une synapse chimique, le neurotransmetteur est libéré de l'élément présynaptique et diffuse à travers la fente synaptique. Le neurotransmetteur se lie à une protéine réceptrice et provoque un changement dans la membrane postsynaptique (le PPS). Le neurotransmetteur doit être inactivé ou retiré de la fente synaptique afin que le stimulus soit limité dans le temps.

Les caractéristiques particulières d'une synapse varient en fonction du système de neurotransmetteurs produit par ce neurone. Le système cholinergique se trouve à la jonction neuromusculaire et à certains endroits du système nerveux. Les acides aminés, tels que le glutamate, la glycine et l'acide gamma-aminobutyrique (GABA), sont utilisés comme neurotransmetteurs. D'autres neurotransmetteurs résultent de la modification enzymatique d'acides aminés, comme dans les amines biogènes, ou de leur liaison covalente, comme dans les neuropeptides.