Antes de que comience la neurulación, los esbozos de las tres vesículas encefálicas primarias ( prosencéfalo, mesencéfalo y robencéfalo) son visibles como ensanchamientos de la placa neural. Durante la quinta semana, el prosencéfalo se subdivide en telencéfalo y diencéfalo, y el robencéfalo se subdivide en metencéfalo y mielencéfalo, estas cuatro estructuras más el mosencéfalo constituyen las cinco vesículas encefálicas secundarias. Durante este periodo el encéfalo también se divide de manera transitoria en segmentos menores denominados neuromeros.
El encéfalo primitivo se dobla por tres puntos. El prosencéfalo se dobla hacia atrás por la acodadura mesencefálica y queda bajo el resto del encéfalo. También se produce un plegamiento ventral por la acodadura cervical, entre el mielencéfalo y la medula espinal. En la región de la futura protubverancia se produce un plegamiento dorsal, inverso a los anteriores, que desplaza el metencéfalo contra el mielencéfalo; este tercer ángulo es la acodadura pontina.
La diferenciación celular del tubo neural comienza en el robemcéfalo al final de la cuarta semana. El neuroepitelio del tubo neural prolifera para producir, por este orden, lo neuroblastos, los glioblastos y el epéndimo. Los neuroblastos emigran hacia la periferia para establecer la zona de manto, que es la precursora de la sustancia gris. En las regiones de la medula espinal y el tronco del encéfalo, la zona del manto se sitúa inmediatamente por encima de la zona ventricular de neuroepitelio en proliferación, y las fibras nerviosas en crecimiento establecen una zona marginal por fuera de la zona manto. En los centros superiores del encéfalo, incluidos el cerebelo y los hemisferios cerebrales, el patrón de diferenciación celular es más complejo.
Igual que en la medula espinal, la zona del manto troncoencefálica se organiza en un par de columnas ventrales y un par de columnas dorsales. Lateralmente las dos columnas están separadas por el surco limitante; dorsal y ventralmente están separadas por adelgazamientos del tejido nervioso denominados, respectivamente, la placa del techo y la placa del suelo.
Los núcleos de los pares craneales tres y doceava se encuentran en el tronco del encéfalo. Algunos de estos pares craneales son motores, otros sensitivos y otros mixtos y por lo tanto, algunos de ellos contienen fibras de más de un núcleo. Los núcleos motores de los pares craneales se desarrollan a partir de las placas basales del tronco del encéfalo, y los núcleos de asociación a partir de las placas alares. Los núcleos de los pares craneales troncoencefálicos se organizan en siete columnas, que corresponden a otros tantos tipos de función. Ordenadas ventromedial a dorsolateral, las tres columnas basales contienen neuronas motoras eferentes somáticas, eferente branquiales y eferentes viscerales, y las cuatro columnas alares contienen neuronas de asociación aferentes viscerales, aferentes viscerales especiales, aferentes generales y aferentes somáticas especiales.
Como sucede en la medula espinal, las neuronas periféricas de las vías sensitivas y autómanas de los pares craneales se encuentran en ganglios situados fuera del sistema nervioso central. Los ganglios situados fuera del sistema nervioso central. Los ganglios parasimpáticos de los pares craneales son un derivado de las crestas craneales proceden de células de la cresta neural, pero otros se originan parcial o totalmente a partir de placodas ectodérmicas.
El mielencéfalo da lugar al bulbo raquídeo, que es la parte del encéfalo más parecida a la medula espinal en términos de organización. El metencéfalo origina la protuberancia, una parte gruesa del tronco del encéfalo compuesta sobre todo por voluminosos haces de sustancia blanca relacionados con el cerebro; también es un derivado del metencéfalo el cerebelo, que surge a partir de los labios rómbicos dorsales de las palcas alares metencéfalicas, que flanquean a la amplia placa del techo de esta región. Por un proceso especializado de diferenciación celular, se forma la sustancia gris de la corteza cerebelos y los núcleos profundos del cerebelo. El cerebelo controla la postura, el equilibrio y la precisión en la ejecución de los movimientos.
El mesencéfalo contiene los núcleos de tres pares craneales y otras estructuras. Las placas alares dan lugar a los tubérculos cuadrigéminos superior e inferior, que son visibles como protuberancias redondas en la superficie dorsal del mesencéfalo. Los tubérculos cuadrigéminos superiores controlan reflejos oculares; los inferiores actúan como centro de relevo de la vía auditiva.
El prosencéfalo carece de placas basales. Las placas alares del diencéfalo están dividías por el profundo surco hipotalámico en una porción dorsal y otro ventral. El engrosamiento hipotalámico, ventral con respecto al surco, da lugar a una serie de núcleos conocidos en su conjunto como hipotalámico, y cuya función más destacable es el control de actividades viscerales como el ritmo cardiaco y la secreción hipofisaria. Al otro lado del surco se halla el gran engrosamiento talamoco, del que procede el tálamo; éste actúa como centro de relevo procesando información de estructuras subcorticales antes de transmitirla a la corteza cerebral. Por último, un engrosamiento dorsal, el hipotálamo, da lugar a unos pocas estructuras de pequeño tamaño, entre ellas la glándula ´pineal.
Una evaginación ventral de la placa del suelo del diencéfalo, denominada infundíbulo, origina la hipófisis posterior. Con ella se empareja un divertículo del techo del estomodeo. Llamado bolsa de Rathke, que crece para formar junto al infundíbulo la hipófisis anterior.
Los dos hemisferios cerebrales surgen como evaginaciones laterales del telencéfalo y crecen rápidamente para cubrir el diencéfalo y mesencéfalo. Los hemisferios están unidos ´por la lamina terminal cefálica y por haces de fibras denominados comisuras, sobre todo por el voluminoso cuerpo calloso. La arquitectura celular estraficada de la corteza cerebral se crea por un complejo mecanismo, los bulbos y tractos olfatorios son derivados del telencéfalo cefálico y establecen sinapsis con las neuronas neurosensoriales olfativas primarias, que proceden de las placodas nasales.
Los dilatados ventrículos primitivos, formados en el conducto neural de las vesículas encefálicas secundarias, dan lugar al sistema ventricular del encéfalo. El líquido cefalorraquídeo que llena el sistema ventricular es producido fundamentalmente gracias a la actividad secretora de los plexos coriodeos de los ventrículos laterales y de los ventrículos tercera y cuarto, que se forma a partir del epéndimo y de la piamadre vascularizada que lo recubre. El tercer ventrículo también contiene estructuras ependimarias especializadas secretoras, denominadas órganos circunventriculares.
