Nervensysteme bilden über Sensoren und Effektoren zwei sensomotorische Bögen, das autonome oder vegetative und das somatische Teilsystem, wobei der Bogen des einen über die Körperinnenwelt, der des anderen über die Außenwelt geschlossen ist. Beide dienen gleichermaßen dem (sozio)biologisch definierten „im Mittel erfolgreichen Verhalten“. Die im folgenden ausschließlich betrachteten Wirbeltiergehirne bergen zentrale Instanzen dieser weitgehend informationsverarbeitenden Bögen und bilden mit dem Rückenmark das Zentralnervensystem (ZNS). Das periphere Nervensystem umfaßt die Innervation der meisten Sensoren und Effektoren (Drüsen, Eingeweide- bzw. Skelettmuskulatur) sowie Nester primär-sensorischer Neuronen (Ganglien) beider Teilsysteme. Gehirne zeigen eine weitgehend einheitliche Grobgliederung, doch sind ihre Komponenten artspezifisch meist recht unterschiedlich aus- oder umgebildet. Die Grundstruktur folgt der des Rückenmarks und ist aus der Embryonalentwicklung zu verstehen.

Zu den Methoden der Hirnforschung zählen vor allem die der empirischen Disziplinen Neuroanatomie, Neurophysiologie, Neuropsychologie und Psychophysik sowie die der theoretischen Disziplinen Neuroinformatik, Biokybernetik und Biophysik. Die folgende Darstellung beschränkt sich auf Methoden der empirischen Hirnforschung und überdies auf solche, die typischerweise zur Untersuchung von Wirbeltieren, zum Teil auch von Menschen eingesetzt werden. Dies bedeutet aber keineswegs die Geringschätzung theoretischer Methoden, ohne die schwerlich gezielte und systematische Empirie, wie sie gerade die Komplexität von Gehirnen erfordert, möglich ist. So ist die systemische Modellbildung – vorzugsweise unmittelbar verhaltensrelevanter Funktionen, aber auch möglicher Strukturen – als Generalmethode der theoretischen Hirnforschung wesentliche Quelle empirisch prüfbarer Hypothesen.