Сигнали передаються від нейрона до нейрона різними хімічними медіаторами. Ці хімічні системи, накладені на нейронні ланцюги головного мозку. додають до його функції ще один вимір
Нейрони мають біохімічний апарат, загальний з усіма іншими живими клітинами, в тому числі здатність генерувати хімічну енергію шляхом окислення харчових речовин, а також відновлювати і зберігати свою цілісність. Нейрони мають, крім того, специфічними властивостями, яких позбавлені інші клітини і які пов'язані з особливою функцією нейронів як передавачів нервових імпульсів; сюди відносяться необхідність в підтримці іонних градієнтів, що вимагає великої затрати енергії, і властивості, пов'язані зі здатністю нейронів виробляти і виділяти набір хімічних передавачів, званих нейромедиаторами. У синапсах - мікроскопічних ділянках, де тісно пов'язані закінчення одного нейрона і сприймає поверхню іншого, прихід імпульсу викликає раптове виділення молекул медіатора з, закінчення. Потім ці молекули дифундують через заповнену рідиною щілину між двома клітинами і впливають на специфічні рецептори постсинаптичної мембрани, змінюючи при цьому електричну активність сприймає нейрона.
Нейрони, що містять норадреналін - хімічний медіатор в головному мозку, - яскраво світяться на цьому зрізі мозку щура під флуоресцентним мікроскопом. Такі клітини, розташовані в ділянці мозку, іменованому locus coeruleus, стали видні під впливом гліоксилової кислоти, яка перетворює норадреналін в його флуоресціююча похідне. У цьому полі знаходяться ще тисячі інших нейронів, але в них містяться інші медіатори і тому вони не видно. Норадреналінового нейрони в locus coeruleus посилають свої аксони до багатьох відділи мозку, в тому числі в мозочок і передній мозок. Як вважають, вони мають відношення до регуляції сну. настрою, а також до системи заохочення. Мікрофотографія отримана Ф. Блумом (F. Bloom), Г. Джонсом (G. Jones) і Ж. Мак-Джинті (J. McGinty) з Інституту Солка.
Хімічна передача через синапс - вузьку щілину між двома нейронами - в головному мозку складається зі складної послідовності молекулярних процесів. На малюнку дана схема процесу передачі в норадреналінового синапсі. Спочатку в три стадії відбувається синтез норадреналіну з амінокислоти тирозину, причому кожна стадія каталізується особливим ферментом. Потім медіатор в поєднанні з білками накопичується в бульбашках, що примикають до мембрани. Хто приходить в аксонів закінчення нервовий імпульс запускає приплив іонів кальцію, який викликає вивільнення норадреналіну з бульбашок в синаптичну щілину. Молекули медіатора зв'язуються зі специфічними рецепторними білками, включеними в постсинаптическую мембрану, запускаючи серію реакцій. яка закінчується короткочасними (електричними) і довготривалими впливами на сприймає нейрон. Після цього дія норадреналіну припиняється різними способами, в тому числі швидким поверненням медіатора в аксонів закінчення і руйнуванням його ферментами. Вихід деякої кількості норадреналіну в синаптичну щілину активує пресинаптичні рецептори на аксони закінчення, викликаючи вироблення циклічного АМФ, який активує білкову киназу, стимулюючи тим самим нову вироблення норадреналіну.
Відомо близько 30 різних речовин, щодо яких доведено або підозрюється, що вони грають роль медіаторів у головному мозку, і кожне з них має на нейрони характерний збудливий або гальмівний ефект. Медіатори розподілені в мозку не в довільному порядку, а локалізовані в особливих групах нейронів, аксони яких йдуть до інших високоспеціалізованих областях мозку. Накладення цих різноманітних хімічно закодованих систем на нейронні мережі наділяє головний мозок ще одним виміром модуляції і специфічності.
За останні роки досягнуто значних успіхів у вивченні різних медіаторних речовин (хоча багато з них, безсумнівно, ще не відкриті), в складанні карт їх розподілу по мозку і в з'ясуванні молекулярних процесів синаптичної передачі. Такими дослідженнями встановлено, що дія багатьох лікарських речовин і нейротоксинів на поведінка засноване на їх здатності переривати або модифікувати хімічну передачу від нейрона до нейрона. У них є також вказівки на те, що причинами психічних хвороб, можливо, виявляться в кінцевому рахунку порушення функції специфічних медіаторних систем мозку.
Що стосується загального енергетичного обміну, то з усіх органів тіла головний мозок є найактивнішим споживачем енергії, що відбивається в його багатому кровопостачанні і інтенсивному споживанні кисню. Мозок настільки інтенсивно використовує кисень (50 мілілітрів на хвилину), що, складаючи всього 2% загальної ваги тіла, поглинає приблизно 20% надходить в організм кіслорода.Такое велике споживання енергії, як вважають, пояснюється необхідністю підтримувати іонні градієнти по обидва боки нейронної мембрани, від чого залежить проведення імпульсів в мільярдах нейронів мозку. Крім того, це споживання енергії йде безперервно: інтенсивність метаболізму в мозку відносно постійна вдень і вночі і іноді навіть дещо зростає під час фази сну зі сновидіннями. Однак, щоб не склалося хибного уявлення, слід сказати, що весь енергетичний еквівалент метаболізму мозку становить всього близько 20 ват.
Синапси на типовому нейроне в головному мозку є або збудливими, або гальмівними, в залежності від типу виділяється в них медіатора. Вони розрізняються морфологічно під електронним мікроскопом: для збуджуючих синапсів характерні сферичні пухирці і суцільне потовщення постсинаптичної мембрани, а для гальмівних - сплощені бульбашки і несплошное потовщення мембрани. Синапси можна також класифікувати по їх положенню на поверхні сприймає нейрона - на тілі клітини, на стовбурі або «шипиків» дендрита, або на аксоні.