大脑的整体活动，也就是意识心灵所体验到的清醒程度和情绪变化，都深受神经传导物质在数万亿个突触内的浓度的影响。其中最重要的神经传导物质包括乙酰胆碱和数种胺类，如去甲肾上腺素、血清张力素和多巴胺（dopamine）。另外还有氨基酸（gamma aminobutyric acid，GABA，γ-氨基丁酸），以及令人惊讶的基本气体——氧化氮。其中一部分神经传导物质会激发它们所触及的神经细胞，另一部分则产生抑制的效果。还有另一类传导物质甚至两种反应都能引发，要视线路在神经系统中的位置而定。
神经系统在胎儿和婴儿时期发展时，神经元会像乌贼萌发触须般，把轴突和树突延伸到细胞的周遭。它们的连接点经由准确的程式设计与化学物质的指引，抵达目的地。神经元一旦坐落在某处，就会沉着地扮演它在信号传递中的特殊角色。轴突可能只延伸百万分之几米，也可能比这个长度要长个几千倍。树突和轴突末端分支可以任意采用多种造型，比如像冬天没有叶子的树冠，或像稠密的毛垫。它们单纯的功能所具有的美，让人心醉神迷，并忍不住要进一步揣测它们的潜力。伟大的西班牙组织学家卡哈尔（Santiago Ramóny Cajal，1852—1934）在1906年，因这方面的研究荣获诺贝尔奖，并写下他个人的经验：“正如昆虫学家追求亮丽的蝴蝶，我则在灰质（gray matter）的花园里，集中心力猎取具有纤细优雅形体的细胞，那是神秘的灵魂之蝶。谁晓得，也许哪一天，这些蝴蝶翅膀的振动，将显示出人类心灵生活的秘密。”
神经细胞的形状让生物学家感到十分满意，而它真正的含义则如下所述：神经元系统是一个具有方向性的网络，能接收并且播放信号。它们会和其他网络交换信号，以形成系统中的系统。有些地方的神经网络会形成圆圈，像蛇咬住自己的尾巴般，产生混响回波（reverberating circuit）。每一个神经元都与许多其他神经元的轴突末端分支相触，并且以民主投票的方式来决定自己该活化还是保持沉默。神经细胞采取类似摩尔斯密码的断奏（staccato）激发方式，把自身信息传递给其他神经细胞。每个细胞与其他细胞的连接数目、它向外伸展的模式以及它所采用的密码，决定了它在大脑整体活动中所扮演的角色。
现在，我们即将完成大脑的工程比拟。当你开始设计人类大脑时，应该考虑到另一个重要的最佳设计原则：把执行特殊功能的神经线路组合在一起，才能够增进信息传递的速度。在真实大脑中，这类组合的例子包括感觉转播站、整合中心、记忆模组，以及神经生物学家目前已经确认的一些情绪控制中枢。神经细胞体可以平面聚集，形成所谓的层（layer），或是以球状聚集成所谓的核（nuclei）。这类组合多半位于大脑表面或接近表面的部位，是由自身的轴突以及深入大脑内部组织的中间神经元（intervening neuron）连接而成。结果，聚集在一起的细胞体形成了灰色或淡褐色的大脑表面，也就是灰质层，大脑内部的轴突髓鞘（myelin sheath），则呈现白色。
在所有曾经存在的动物之中，人类的大脑容量占身体大小的比重最大。就灵长类而言，人类大脑的尺寸比例显然已经达到或十分接近体型上的极限。要是新生儿具有更大的脑部，保护大脑的头颅在通过产道时，对母亲和婴儿都会造成危险。就连成人的大脑尺寸，就机械角度而言都是危险的：头部是一个脆弱、内部充满液态物质的球体，由精细的骨骼和肌肉组成的颈部加以支撑平衡；头颅内部的大脑很容易受创伤，而心灵也很容易受到惊吓而造成残障。人类天生就倾向于避免暴力的肢体冲突，因为在进化过程中，我们的祖先已经以蛮力换来了智能，因此我们不再需要长有毒牙的下颚来捕捉和撕咬敌人。
大脑的体积在本质上原本就受到限制，因此我们必须找出其他方法能适合于记忆库，以及适合于较高层次的整合系统，以便产生有意识的思考。唯一的途径是增加表面积：把细胞平铺成一张宽大的纸张，然后再揉成一个球。人类的大脑皮层就是像这样的一张纸，面积大约1000平方英寸（约0.64平方米），每平方英寸上聚集了数百万个细胞体。这张纸被折了又揉地折叠成众多蜿蜒的山脊和裂缝，就好比日本折纸术一般，然后整齐地塞入约1夸脱大小的头颅腔内。
