Beyin nöronları, vücudumuzdaki kaslara, organlara ve salgı bezlerine bilgiler göndererek onların çalışmasını kontrol eden sinir hücreleridir. Nöronların çoğu beynin dış kabuğunda, yani gri cevherde bulunur. Beyinde 100 milyardan fazla nöron olduğu tahmin edilmektedir. Bir milimetre küp beyin dokusunda yaklaşık 50 bin nöron bulunur ve bu nöronları besleyen ve temizleyen çok daha fazla sayıda glia hücresi mevcuttur. Nöronlar, beynin en önemli hücreleridir ve beynin gerçekleştirdiği tüm işlevler, nöronların çalışmasına bağlıdır. Nöronlar büyük bir gövde ve bunun uzun ince kuyruk şeklindeki uzantısı olan aksondan oluşur.

Nöronlarda oluşan elektrik sinyalleri, aksonlar tarafından saniyede 100 metre hızla hücrelere iletilir. Nöronlar, mesajlarını bazen vücudun çok uzak bölgelerine tek bir akson sayesinde iletebilir; azı aksonlar beyinden başlayıp omuriliğe kadar uzanabilir ve uzunlukları bir metreyi bulabilir. Sinir gövdesinin uzantısı olan aksonlar miyelin adı verilen özel bir kılıfla çevrilidir. Bu kılıf sayesinde elektrik sinyalleri birbirleriyle çok hızlı iletişim sağlar. Multiple skleroz hastalığı gibi bu kılıfın hasar gördüğü durumlarda, bazı kasların kontrolü bozulur. Sinir hücrelerinin gövdesinden çıkan ve dendrit denilen anten benzeri uzantılar, diğer sinirlerden gelen sinyalleri alır. Nöron gövdesindeki dendritlerin tümü, başka nöronlardan gelen aksonlarla bağlantı halindedir ve bu bağlantılar sinaps olarak adlandırılır. Bu sinapslar sayesinde beyinde oluşan bir sinyal, çok kısa bir sürede vücudun istenen yerine ulaşır. Bir beyin hücresinin yaklaşık 25-30 bin civarında bağlantısı olduğu bilinmektedir.

Beyindeki toplam bağlantı sayısının 10^15 olduğu düşünülmektedir. Beynin çalışmasını artırarak bağlantı sayısını değiştirmek, böylece beyin kapasitesini geliştirmek mümkündür. Eskiden nöronlar arasındaki bağlantıların sabit olduğu düşünülüyordu. Yani, bir kere bağlantı kurulduğunda, bunun sürekli olduğu ve giderek bu sayının arttığı sanılıyordu. Yapılan son araştırmalar, bağlantıların sürekli değişebildiğini göstermektedir. Toplam bağlantı sayısı genellikle sabit kalırken, bazı bağlantılar kopar, ancak bu arada yeni bağlantılar oluşur. Bu da beynin, değişen koşullara göre yapısını sürekli değiştirebildiğini gösteriyor. Sinir hücresinde elektrik enerjisi, artı elektrik yüklü sodyum, potasyum ve eksi elektrik yüklü klor iyonlarının yer değiştirmesi sayesinde oluşur. Bu yer değiştirme sırasında hücre zarının iç ve dış tarafında oluşan zıt kutuplar voltaj değişikliklerine, böylece hücrede elektrik enerjisinin açığa çıkmasına yol açar. Bir nöron, saniyede birkaç yüz elektrik sinyali üretebilir. Hücre zarında oluşan bu elektrik sinyalleri, aksonlar tarafından saatte 200-300 km hızla aksonun ucuna doğru iletilir.

Elektrik sinyalleri aksonun ucuna ulaştığında, buradan nörotransmiter adı verilen çok özel kimyasal mesajcı moleküllerin salgılanmasına yol açar. Aksonun ucunda bu moleküllerin salgılanması, diğer nöron ya da kas hücresi gibi hedef hücreleri harekete geçirerek, görevlerini yapmalarını sağlar. Nörotransmiterler, sinir hücrelerinden gelen uyarıların diğer hücreler tarafından algılanmasını sağlayan elçi görevini üstlenirler. Salgılanan molekülün yapısına göre, hedef hücrenin gerçekleştirdiği görevler de değişir.