Tế bào nơ-ron thần kinh là các tế bào trong não có nhiệm vụ truyền đạt thông tin nhanh chóng. Các tế bào thần kinh được cấu tạo đặc biệt giúp cho chúng có những đặc tính cho phép chúng thực hiện vai trò duy nhất của mình trong hệ thần kinh.
Hình dạng của nơ-ron là một trong những đặc điểm độc đáo như vậy. Ngoài thân tế bào, hay soma, giống như của các tế bào khác, tế bào thần kinh có các nhánh mỏng chuyên biệt được gọi là đuôi gai và sợi trục. Tế bào thần kinh nhận đầu vào hóa học từ các tế bào thần kinh khác thông qua đuôi gai và truyền thông tin đến các tế bào khác thông qua sợi trục.
Tế bào thần kinh cũng là những tế bào “dễ bị kích thích”. Bề mặt màng tế bào thần kinh chứa rất nhiều protein được gọi là kênh ion cho phép các nguyên tử tích điện nhỏ đi qua từ bên này sang bên kia của màng. Một số kênh này được mở ra khi điện thế qua màng tế bào thay đổi. Một loại con của các kênh “đo điện thế” này cho phép tế bào thần kinh tạo ra một tín hiệu nhanh chóng được gọi là “điện thế hoạt động”, đây là dạng dẫn truyền tín hiệu điện nội bào nhanh nhất trong sinh học.
Các tế bào thần kinh riêng lẻ thường bị ngăn cách hoàn toàn với nhau bởi màng tế bào bên ngoài, do đó, không thể chia sẻ trực tiếp các tín hiệu điện hoặc hóa học. Việc truyền tín hiệu chỉ được thực hiện tại khớp thần kinh điện, trong đó các đường dẫn ion được tạo ra từ các protein được gọi là liên kết kết nối các ngăn nội bào của các tế bào thần kinh lân cận, cho phép dòng ion trực tiếp từ tế bào này sang tế bào khác. Hình thức giao tiếp giữa các dây thần kinh này ít phổ biến hơn ở hệ thần kinh trung ương so với truyền hóa chất.
Giao tiếp trong não bộ con người chủ yếu là giao tiếp hóa học giữa các tế bào thần kinh liên quan đến việc giải phóng chất dẫn truyền thần kinh từ một tế bào thần kinh, làm thay đổi hoạt động của tế bào thần kinh tiếp nhận. Giao tiếp hóa học này thường xảy ra tại một cấu trúc chuyên biệt được gọi là khớp thần kinh, nơi các phần của hai tế bào được cách nhau trong từ 20 đến 50 nanomet.
Tế bào thần kinh giải phóng chất hóa học được gọi là tế bào thần kinh trước synap. Một cấu trúc đặc biệt ở đầu sợi trục của tế bào thần kinh trước synap, được gọi là phần cuối sợi trục, chứa các gói nhỏ được gọi là túi, chứa đầy các phân tử dẫn truyền thần kinh. Khi một điện thế hoạt động chạm đến tận cùng sợi trục và kích thích sự gia tăng nồng độ canxi, ion này sẽ kích thích túi này hợp nhất với màng tế bào và giải phóng chất dẫn truyền thần kinh vào khoảng trống synap nhỏ giữa các tế bào.
Tế bào thần kinh được tác động bởi hóa chất được gọi là tế bào thần kinh sau synap. Các phân tử dẫn truyền thần kinh được giải phóng từ các túi trước synap đi ngang qua khe synap và liên kết với các protein, được gọi là các thụ thể dẫn truyền thần kinh, trên màng bề mặt của tế bào thần kinh sau synap.
Các chất dẫn truyền thần kinh nhanh chóng bị loại bỏ khỏi khớp thần kinh sau khi chúng được giải phóng. Điều này giảm thiểu thời gian chúng tương tác với các thụ thể để các tín hiệu tiếp hợp ngắn, rời rạc được tạo ra. Tại hầu hết các khớp thần kinh trong não, các protein cụ thể được gọi là chất vận chuyển dẫn truyền thần kinh làm trung gian cho việc loại bỏ này.
Các protein vận chuyển cư trú trong màng bề mặt tế bào và tích cực di chuyển phân tử chất dẫn truyền thần kinh từ bên ngoài vào bên trong tế bào. Trong nhiều trường hợp, sự hấp thu này xảy ra ở chính đầu cuối của khớp thần kinh, nơi chất dẫn truyền thần kinh được nạp trực tiếp vào các túi.
Tuy nhiên, trong một số trường hợp, các tế bào hỗ trợ tức là tế bào thần kinh đệm cũng tham gia vào quá trình hấp thu chất dẫn truyền thần kinh. Việc loại bỏ các chất dẫn truyền thần kinh tiếp hợp cũng có thể xảy ra thông qua các enzym làm suy giảm chất dẫn truyền thần kinh thành các phân tử cấu thành không tự kích hoạt các thụ thể.