大多数生物都具有探寻食物或躲避危险的运动机制。细菌上的简单鞭毛可以帮助其游动，而昆虫、鱼类与哺乳动物则具有复杂而协调的肌肉、肌腱及神经，从而使其能够以惊人的速度和敏捷度进行移动。对外部刺激的感知与响应起始于神经元网络。线虫缺乏大脑结构，但仍存在相互连接的神经元集群，它们所执行的功能与人脑和其他神经系统等复杂网络基本相似。
人脑中含有大约100亿个神经元。其中每一个细胞都与其他成千上万个细胞相互连接，这使得大脑可以在遍布全身的复杂网络中通过电信号（在细胞内部）与化学信号（神经递质，在细胞之间）进行信息储存与传递。数百万个感觉神经元上表达着特定的受体，可以将外界刺激（光、触摸、声音、气味）转换为电信号并反馈至大脑。其他运动神经元可以将信息从大脑发送至肌肉以及分泌激素的腺体中。中间神经元介导了感觉神经元与运动神经元之间的信息传递。神经元具有被称为树突和轴突的特化突起结构。树突可以将信息传递至胞体，而轴突则将信息自胞体传送至其他神经元。轴突可以延伸至很远的距离，并被一种被称为髓鞘的特殊结构所包被。髓鞘可将轴突包裹在多层膜中，从而起到绝缘作用，以帮助神经冲动的传递不受外界干扰。而细胞间化学或电信号传递的连接点则被称为突触。神经元是我们体内长度最长、寿命最久的细胞。皮质脊髓神经元（将运动皮层连接到脊髓的神经元）和初级传入神经元（从皮肤与肠道等器官延伸到脊髓并一直延伸到脑干的神经元）可以长达几英尺。理论上神经元可以存活一生的时间，但实际上体内神经元的总数会随着人们年龄的增长而不断减少。胶质细胞与所有神经元紧密相关，具有保护和提供营养的作用。我们不能在单个细胞水平上理解视觉、意识和记忆的复杂功能，只能通过数十亿个细胞之间的相互联系来进行了解，这或许是生物学中最极端的涌现性案例。通过对线虫、果蝇和其他简单生物神经系统的不断研究，我们已经获得了许多重要的启示。另一方面，这些研究也将在不远的将来帮助我们彻底阐明大脑的功能。
