Le cerveau des vertébrés contrôle et coordonne la plupart des mouvements, du comportement, l'homéostasie des fonctions internes, telles que le rythme cardiaque, la pression artérielle, la température du corps...

Le cerveau des vertébrés reçoit des signaux par les nerfs afférents (c'est-à-dire que leurs informations « remontent » vers le cerveau. C'est le cas des nerfs sensitifs, qui acheminent les sensations, par exemple la douleur : de la peau au cerveau) de la part de chaque portion du corps; il reçoit ce signal, l'interprète, et en tire une réponse fondée sur l'intégration des signaux électriques reçus, puis la transmet.

Ce jeu de réception et d'émission de signaux (après leur intégration) représente la fonction majeure du cerveau, qui explique à la fois les sensations, le mouvement, la mémoire et aussi la conscience.

Le cerveau présente une organisation fonctionnelle : certaines parties du cerveau gèrent plus spécifiquement certains aspects du comportement ou de la pensée. Mais cette division fonctionnelle n'est pas stricte, il serait en effet illusoire d'assigner une fonction aussi complexe que la mémoire, par exemple, à une région isolée. On peut néanmoins dessiner une cartographie du cortex cérébral en aires selon leur implication dans différents aspects de la cognition, leur architectonique et leur connexions, en particulier avec le thalamus : les fonctions motrices dans le lobe frontal (aires 4 et 6 de Brodmann), la vision dans la partie postérieure du lobe occipital (aires 17, 18 et 19 de Brodmann), la production du langage articulé dans le lobe frontal au niveau de l'aire de Broca (aires 44 et 45), etc.

Les activités cognitives supérieures (l'intelligence, la réflexion) se déroulent dans les parties les plus antérieures du cerveau : les lobes frontaux (droit et gauche), particulièrement par leurs interactions avec le système limbique (thalamus, hippocampe cerveau), qui appartiennent aux noyaux gris centraux.

Le cerveau a aussi un rôle de production hormonale, à partir de l'hypophyse, de l'hypothalamus, de l'épiphyse en particulier (trois petites régions situées à la base du cerveau impliquées dans la gestion des autres hormones)

Ainsi, par le rôle central qu'il exerce dans la captation des stimuli externes, le cerveau occupe le rôle central de création des réactions à l'environnement. La faim, la peur, le danger, la douleur, le besoin d'uriner, etc. sont des stimulations dont le but terminal se situe dans des zones spécialisées du cerveau, qui y analyse l'information, avant de donner la réponse appropriée.

En revanche, le cerveau n'est pas responsable de mouvements réflexes comme par exemple le fait d'enlever notre main immédiatement lorsqu'elle entre en contact avec une surface brûlante. C'est de la moelle épinière, non du cerveau, que proviennent ces mouvements réflexes.
Le système moteur

Les zones moteurs sont les zones du cerveau responsables directement ou indirectement des mouvements du corps, et ce par activations des muscles. À l'exception des muscles contrôlant les yeux, tous les muscles du corps, soumis à notre volonté, sont directement innervés par des neurones moteurs de la moelle épinière. Ils sont donc le dernier maillon de la chaîne du système psycho-moteur. Les neurones moteurs spinaux sont contrôlés à la fois par des circuits neuronaux propre à la colonne vertébrale et par des influx descendants du cerveau. Les circuits spinaux intrinsèques hébergent plusieurs réactions réflexes ainsi que certains schémas comme les mouvements rythmiques tels que la marche, la nage. Les connexions descendantes du cerveau quant à elles, permettent des contrôles plus sophistiqués.

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