1. Organismo unicelular (sin sistema nervioso)
2. Cnidarios (sistema nervioso reticular)
3. Sistema ganglionar (anélidos, artrópodos)
4. Sistema cerebral (cordado primitivo; anfioxus)
5. Ciclóstomos
6. Peces
7. Anfibios
8. Reptiles
9. Aves
10. Mamíferos
11. Neurona (unidad funcional del S.N.)
La tendencia evolutiva de cefalización en los vertebrados concentró el control en un centro integrador dominante: el encéfalo (más concretamente en el cerebro) cuya máxima complejidad está en los humanos. El encéfalo de los vertebrados tuvo su comienzo evolutivo como una serie de tres protuberancias en el extremo anterior del tubo neural dorsal hueco. En los vertebrados inferiores, las tres protuberancias anteriores conservan su disposición lineal, formando el rombencéfalo, el mesencéfalo y el prosencéfalo, o bien, encéfalo posterior, medio y anterior, respectivamente.
Una evolución esquemática del encéfalo se muestra en la siguiente imagen:
Los tallos cerebrales (en anaranjado) incluyen a la protuberancia, al bulbo y al mesencéfalo, que son similares en los diferentes grupos. Sin embargo, el encéfalo se ha vuelto más grande en el curso de la evolución, y sus dos segmentos se han plegado hacia arriba, formando los dos hemisferios cerebrales. La corteza cerebral, la superficie externa de los hemisferios, alcanza su mayor desarrollo en los primates, particularmente en Homo sapiens. El lóbulo olfatorio se encuentra oculto en el cerebro humano por los hemisferios cerebrales, que están mucho más desarrollados.El primero incluye al bulbo raquídeo, la protuberancia, y el cerebelo, este último asociado con la coordinación de los movimientos de ajuste fino. El bulbo, la protuberancia y el mesencéfalo constituyen el romboencéfalo o tallo cerebral, que controla funciones vitales y sirve como estación de relevo entre la médula espinal y el resto del encéfalo.
El telencéfalo (encéfalo anterior) es el que ha experimentado más cambios en el curso de la evolución de los vertebrados. En los vertebrados más primitivos, los peces, está relacionado casi exclusivamente con la información olfatoria y se lo llama rinencéfalo. En los reptiles y, especialmente en las aves, la estructura más prominente del telencéfalo es el cuerpo estriado, que está relacionado con el control de comportamientos estereotipados complejos. En los mamíferos, el cerebro, la porción central del telencéfalo, está desdoblado en los dos hemisferios cerebrales y su tamaño es muy grande con respecto a otras partes del encéfalo. Este incremento alcanza su máxima extensión (hasta el momento) en el cerebro humano, en el cual los muchos pliegues y circunvoluciones de su superficie, la corteza cerebral, aumentan notablemente su área superficial. Los hemisferios cerebrales se conectan entre sí por una masa blanca fibrosa, muy compacta y relativamente grande, llamada cuerpo calloso.
