大脑半球的表层是灰质，这里是神经元细胞聚集的部位，被称为大脑皮层（也叫大脑皮质），大约厚2～3毫米，神经元细胞的总数为140亿个左右。大脑半球表面由于有许多的沟和回，从而使大脑皮层的总面积大大增加，也使神经元的总数大大增加。大脑皮层以内是白质，由神经纤维组成，其中有些神经纤维将左、右两个大脑半球联系起来，叫做胼胝体，还有些神经纤维把大脑上层跟间脑、脑干、小脑和脊髓联系起来。这样，大脑皮层便可以通过这些神经纤维来调节全身各个器官、组织的活动了。
大脑半球是中枢神经系统最高级的部位，调节全身各部分的生理活动。身体各部分的运动和感觉等功能都分别由大脑皮层的一定部位来管理。这些一定部位叫做区或者中枢。由于跟大脑皮层相联系的神经纤维在延髓处是交叉的，也就是说，左侧的神经纤维通向身体右侧，右侧的神经纤维通向身体左侧。所以，左侧大脑半球管理身体右侧，右侧大脑半球管理身体左侧。
在这些中枢里面，躯体运动中枢、躯体感觉中枢、语言中枢、视觉中枢和听觉中枢比较重要。下面我们分别介绍一下这些中枢。
（一）躯体运动中枢
躯体运动中枢是支配肢体运动的高级中枢。如果这个中枢或者与其相联系的神经纤维遭到损伤，例如由于脑溢血而压迫这些神经纤维，就会出现对侧的肢体瘫痪，这就是通常所说的半身不遂或中风。这也就是说，如果左侧大脑半球的躯体运动中枢遭到损伤，则右侧躯体出现半身不遂，因为大脑皮层相联系的神经纤维在延髓处是交叉的。
（二）躯体感觉中枢
躯体感觉中枢是管理躯体感觉的高级中枢。如果这个中枢或者跟其相联系的传入神经纤维遭到损伤，就会出现对侧躯体感觉障碍。
（三）语言中枢
语言是人类的交际工具，是人类所特有的功能活动。共有三个语言中枢：运动语言中枢、听性语言中枢、视性语言中枢，它们都同语言功能有关，但三者之间并不相同。它们的区别在于：运动性语言中枢，同说话功能有关，这个中枢受到损伤就会丧失说话的能力，但仍能发音；听性语言中枢同听取别人说话有关；而视性语言中枢则和阅读及理解文字有关。
此外，在大脑半球枕叶有视觉的高级中枢——视觉中枢，视觉中枢同形成视觉有关。在颞叶上部有听觉的高级中枢——听觉中枢，这个中枢和形成听觉有关。
脑神经共有12对。这12对脑神经分别从颅骨的一些孔道穿出，分布到头面部的器官和胸腔、腹腔的内脏器官。这12对脑神经分别是：1.嗅神经；2.视神经；3.动眼神经；4.滑车神经；5.三叉神经；6.外展神经；7.面神经；8.位听神经；9.舌咽神经；10.迷走神经；11.副神经；12.舌下神经。在这12对神经中，第1、2、8对脑神经是感觉神经，第3、4、6、11、12对脑神经是运动神经。第5、7、9、10对脑神经是混合神经。
交感神经和副交感神经
脑和脊髓跟全身的各个部分都有神经相联系。这些神经按照功能可以分为两大类：感觉神经（也叫传入神经）和运动神经（也叫传出神经）。运动神经又分为两类：一类是支配骨骼肌活动的，叫做躯体运动神经；另一类是支配内脏器官活动的，叫做植物性神经。植物性神经分布到心肌、各个内脏器官（包括血管）的平滑肌和腺体等各处。
植物性神经按照结构和功能的不同，可以分为交感神经和副交神经两种。植物性神经与躯体运动神经不同，从中枢神经系统发出的纤维不直接到达效应器，而是在抵达效应器前先进入并终止于某一外周神经节，再由神经节内神经元发出神经纤维支配效应器。
交感神经的低级中枢位于胸段与腰段的脊髓侧角内。交感神经纤维从胸、腰段脊髓侧角发出，其中的一部分纤维终止于附近的交感神经节。交感神经节的数量很多，大部分都排列在脊柱的两侧。这些交感神经节依靠神经纤维上下互相串连成一条长链状的神经干，这被称为交感干，交感干在脊柱两侧各有一条。由交感干上发出的神经纤维支配着内脏。另有一部分交感神经纤维并没有在交感干内更换神经元，而只是从交感干内穿行而过，走向腹腔内的腹腔神经节，并且在腹腔神经节更换神经元，并由此再发出神经纤维，分布于内脏各器官。
副交感神经的低级中枢位于脑干和脊髓的骶段。由脑干和骶段脊髓的侧角发出神经纤维到器官附近或器官内的副交感神经节，再由此发出神经纤维分布到平滑肌、心肌和腺体，调节有关器官的活动。下面我们将植物性神经的主要功能用表格概括一下：
器官交感神经副交感神经
循环器官心跳加快加强，冠状循环的血管舒张，皮肤及内脏小血管收缩心跳减慢，减弱，冠状血管收缩呼吸器官支气管平滑肌舒张支气管平滑肌收缩消化器官分泌浓稠、少量的唾液，抑制胃肠运动，抑制胆囊收缩分泌稀薄，多量的唾液，促进胃肠运动，促进胆囊收缩泌尿器官抑制膀胱排尿促进膀胱排尿，眼瞳孔放大瞳孔缩小。
皮肤汗腺分泌抑制汗腺分泌代谢促进肾上腺素分泌，代谢加强促进胰岛素分泌人体大部分的内脏器官都同时分布着交感神经和副交感神经，内脏器官接受着双重支配。交感神经和副交感神经虽然对同一器官起相反的作用，但是它们却相辅相成，保证器官的协调，以适应整个身体的需要。例如，当人们剧烈运动时，交感神经的作用加强，副交感神经的作用则受到抑制，使心脏跳动和血液循环加快加强，肺的通气量增大，以适应人体的需要。
相反，当人由剧烈运动转变到安静状态，副交感神经的作用加强，则交感神经的作用受到抑制，使心脏跳动和血液循环变慢变弱，肺的通气量减少，以适应人体在安静状态下的需要。
条件反射与非条件反射
高级神经活动的基本方式是条件反射。高级神经活动是指神经系统高级部位的活动，对人和高等动物来说，就是指大脑皮层的生理活动，神经系统活动的基本方式是反射。
反射有两类：一类是生来就有的先天性的反射，这叫做非条件反射。一个刚刚出生的婴儿不用大人的帮助就可以吮奶，这是由于跟吸奶有关的刺激的（如奶头）直接刺激感受器而引起的反射，这种反射由大脑皮层下的各个中枢即可以完成，属于非条件反射，另一类反射是出生后在生活过程中逐渐形成的后天性反射，叫做条件反射。条件反射是在非条件反射的基础上，经过一定的过程，在大脑皮层的参与下形成的。
在动物实验中，每次给狗食物以前，出现一次铃声，然后再给食物。经过多次练习以后，每当铃声一响，虽然这时并没有给狗食物，狗却会表现出吃东西时才有的活动，如流唾液、口动等，这种反射就是条件反射。本来，铃声与唾液分泌无关，属于无关刺激，但与给狗食物多次结合以后，铃声就成了这条狗进食的“信号”，成了条件刺激，于是狗单独听到铃声而没有吃到食物，也会分泌出唾液。这是唾液条件反射形成的过程。
那么，条件反射的原理是什么呢？这主要取决于条件反射的反射弧的道路问题。从大脑皮层组织结构上看，皮层各部分之间的联系是极其复杂的，在条件反射未建立之前，皮层各部分之间虽有结构上的联系，但功能上并未接通，而条件反射的建立是功能上的暂时性联系的形成。非条件刺激（食物）引起的非条件反射（唾液分泌）可以通过皮层以下中枢来完成，但同时有神经冲动上行，引起大脑皮层相应代表区的兴奋。条件刺激（铃声）也引起大脑皮层一定区域的兴奋。两者多次结合之后，大脑皮层的这两个兴奋区之间就暂时建立了一种功能联系，一个新的反射弧便接通了，这时条件刺激即可以引起唾液分泌。