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大脑由万亿个细胞构成，其中为我们所知的两类是神经细胞和神经胶质细胞。神经细胞即神经元，占大脑重量的十分之一，大致1000亿个。绝大部分细胞为胶质细胞—希腊语中的胶—这些细胞负责把神经元结合在一起，并且作为筛子，防止有害物质进入大脑神经元。星形胶质细胞，扮演着调控神经信号频率的角色。通过附着于血管，星形细胞还起着血管和大脑的屏障的作用，在保护细胞运动不受血液携带有害物质干扰方面起着重要作用。
神经元主要为大脑和整个神经系统行使职责。神经元大小不同，但神经元的主干部分大体都是本句句号的百分之一大小。与其他细胞不同，神经元的主干上长满了成千上万的树枝—希腊语中的树—神经树突，神经树突从其他神经元接受电信号，通过一根长长的纤维—轴突—传导出去，通常每个神经元只有一个轴突。轴突的周围由被称为髓鞘的物质包裹。髓鞘令轴突绝缘于其他神经元细胞，以防电荷泄漏到周围，因此加速脉冲传导。通过电化学反应，神经元之间进行脉冲传导，脉冲以十分之二秒的速度可传导至6英尺高的成人—183公分—的全身。一个神经元每秒钟可以发射出250–2500个神经脉冲。
神经元之间没有直接链接，在每一个轴突和树突之间有一个百万分之一英寸宽的缝隙，叫做突触。一个典型神经元细胞通过树突，从它周围收集信号，这些信号在突触的位置由成千上万的小小突起—被称为神经元棘—所覆盖。神经元释放出电活动脉冲，通过轴突传导至其终端—被称为前突触终端。这一活动释放出的化学物质存储于轴突终端的突触囊泡中，这些化学物质被称为神经递质，在突触间穿梭，激发或抑制周边神经元终端—后突触终端。脉冲随即通过轴突传达至其他神经元。通过改变突触，神经元与神经元之间的影响发生变化，学习活动随即发生。
