Nervový systém obratlovců uložena ve formě spojité nervové trubice, která se v procesu onto- a fylogeneze diferencuje na různé úseky a je také zdrojem periferních sympatických, parasympatických a metasympatických nervových uzlin. U nejstarších strunatců (kraniálních) chybí mozek a neurální trubice je prezentována ve špatně diferencovaném stavu.
Podle myšlenek L. A. Orbeliho, S. Herricka, A. I. Karamyana je tato kritická fáze ve vývoji centrálního nervového systému označena jako páteřní. Nervová trubice moderních bezlebkových (lancelet), podobně jako mícha více organizovaných obratlovců, má metamerní strukturu a skládá se z 62-64 segmentů, v jejichž středu je páteřního kanálu. Z každého segmentu jsou ventrální (motorické) a dorzální (citlivé) kořeny, které netvoří smíšené nervy, ale jdou ve formě samostatných kmenů. V hlavové a ocasní části neurální trubice jsou obří Tyčinkové buňky, tlusté axony, z nichž tvoří vodivý aparát. Hessovy oči citlivé na světlo jsou spojeny s Rohdeho buňkami, jejichž excitace způsobuje negativní fototaxi.
V hlavové části lanceletové nervové trubice jsou velké Ovsyannikovovy gangliové buňky, které mají synaptické kontakty s bipolárními smyslovými buňkami čichové jamky. Nedávno byly v hlavové části neurální trubice identifikovány neurosekreční buňky připomínající hypofýzový systém vyšších obratlovců. Analýza vnímání a jednoduchých forem učení lanceletu však ukazuje, že v této fázi vývoje centrální nervový systém funguje podle principu ekvipotenciality a tvrzení o specifičnosti hlavové části nervové trubice ne mít dostatečné důvody.
V průběhu dalšího vývoje dochází k přesunu některých funkcí a integračních systémů z míchy do mozku – encefalizační proces který byl diskutován výše na příkladu bezobratlých živočichů. V období fylogenetického vývoje z úrovně bezlebek do úrovně cyklostomů, mozek jako nadstavba nad vzdálenými přijímacími systémy.
Studie centrálního nervového systému moderních cyklostomů ukazuje, že jejich mozek v základním stavu obsahuje všechny základní strukturální prvky. Rozvoj vestibulolaterálního systému spojeného s polokruhovými kanálky a receptory laterálních linií, vznik jader bloudivého nervu a dýchacího centra tvoří základ pro vznik zadní mozek.
Rozvoj vzdáleného vizuálního příjmu dává impuls k pokládání střední mozek. Na dorzální ploše neurální trubice se vyvíjí zrakové reflexní centrum – střecha mezimozku, kam přicházejí vlákna zrakového nervu. Nakonec k tvorbě přispívá rozvoj čichových receptorů přední, nebo konečná, mozek, který sousedí s nedostatečně rozvinutým diencephalon.
Výše uvedený směr procesu encefalizace je v souladu s průběhem ontogenetického vývoje mozku v cyklostomech. Během embryogeneze vznikají hlavové části neurální trubice tři mozkové měchýře. Telencephalon a diencephalon jsou tvořeny z předního měchýře, střední měchýř se diferencuje na střední mozek a ze zadního měchýře medulla oblongata a mozeček. Podobný plán ontogenetického vývoje mozku je zachován i u dalších tříd obratlovců.
Neurofyziologické studie cyklostomického mozku ukazují, že jeho hlavní integrační úroveň je soustředěna ve středním mozku a prodloužené míše, tj. v této fázi vývoje dominuje centrální nervový systém. bulbomesencefalický integrační systém, který nahradil páteřní.
Přední mozek cyklostomů byl dlouho považován za čistě čichový. Nedávné studie však ukázaly, že čichové vstupy do předního mozku nejsou jediné, ale jsou doplněny senzorickými vstupy z jiných modalit. Je zřejmé, že již v raných fázích fylogeneze obratlovců se přední mozek začíná podílet na zpracování informací a řízení chování. Encefalizace jako hlavní směr vývoje mozku přitom nevylučuje evoluční přeměny v míše cyklostomů. Na rozdíl od nekraniálních neuronů se kožní senzorické neurony uvolňují z míchy a koncentrují se v dorzálním ganglionu. Dochází ke zlepšení vodivé části míchy. Vodivá vlákna postranních sloupců mají kontakty se silnou dendritickou sítí motorických neuronů. Sestupná spojení mezi mozkem a míchou se tvoří prostřednictvím Müllerových vláken – obřích axonů buněk ležících ve středním mozku a prodloužené míše.
Vzhled složitější formy motorického chování u obratlovců je spojena se zlepšenou organizací míchy. Například přechod od stereotypních vlnivých pohybů cyklostomů k lokomoci pomocí ploutví u chrupavčitých ryb (žraloci, rejnoci) je spojen s oddělením kožní a svalově-kloubní (proprioceptivní) citlivosti. Míšní ganglia vyvíjejí specializované neurony k provádění těchto funkcí.
Progresivní přeměny jsou pozorovány také v eferentní části míchy chrupavčitých ryb. Dráha motorických axonů uvnitř míchy se zkracuje a dochází k další diferenciaci jejích drah. Vzestupné dráhy postranních sloupců u chrupavčitých ryb dosahují prodloužené míchy a mozečku. Přitom vzestupné dráhy zadních míšních sloupců ještě nejsou diferencované a sestávají z krátkých článků.
Sestupné dráhy míchy u chrupavčitých ryb jsou reprezentovány vyvinutým retikulárně-míšním traktem a trakty spojujícími vestibulolaterální systém a mozeček s míchou (vestibulární-míšní a mozečkovo-míšní trakt).
Současně v medulla oblongata dochází ke komplikaci systému jader vestibulolaterální zóny. Tento proces je spojen s další diferenciací orgánů postranní linie a s výskytem v labyrintu třetího (vnějšího) polokruhového kanálu kromě předního a zadního.
Rozvoj obecné motorické koordinace u chrupavčitých zvířat je spojen s intenzivní vývoj mozečku. Mohutný mozeček žraloka má oboustranné spojení s míchou, prodlouženou míchou a tegmentem středního mozku. Funkčně se dělí na části: starý mozeček (archeocerebellum), spojený s vestibulolaterálním systémem, a starověký mozeček (paleocerebellum), zahrnutý v systému pro analýzu proprioceptivní citlivosti. Podstatným rysem strukturní organizace mozečku chrupavčitých ryb je jeho mnohovrstevnatost. V šedé hmotě žraločího mozečku byla identifikována molekulární vrstva, vrstva Purkyňových buněk a zrnité vrstvy.
Další vícevrstvá struktura mozkového kmene chrupavčitých ryb je střecha středního mozku, kam se hodí aferenty různých modalit (vizuální, somatické). Samotná morfologická organizace středního mozku naznačuje jeho důležitou roli v integračních procesech na této úrovni fylogenetického vývoje.
V diencefalu chrupavčitých ryb se vyskytuje diferenciace hypotalamu, což je nejstarší útvar této části mozku. Hypotalamus má spojení s telencefalem. Samotný telencephalon roste a skládá se z čichových bulbů a párových hemisfér. V hemisférách žraloků se nacházejí základy staré kůry (archeokortex) a starověké kůry (paleokortex).
Paleokortex, úzce spojený s čichovými bulby, slouží především k vnímání čichových podnětů. Archeokortex neboli hipokampální kůra se podílí na složitějším zpracování čichových informací. Elektrofyziologické studie však ukázaly, že čichové výběžky zabírají pouze část hemisfér předního mozku. Kromě čichového systému zde bylo nalezeno zastoupení zrakového a somatického smyslového systému. Je zřejmé, že stará a prastará kůra může být zapojena do regulace vyhledávacích, krmných, sexuálních a obranných reflexů u chrupavčitých ryb, z nichž mnohé jsou aktivními predátory.
Chrupavčité ryby tak rozvíjejí hlavní rysy ichtyopsidního typu organizace mozku. Jeho charakteristickým rysem je přítomnost suprasegmentálního integračního aparátu, koordinujícího práci motorických center a organizující chování. Tyto integrační funkce provádí střední mozek a mozeček, což nám umožňuje mluvit mesencefalocerebelární integrační systém v této fázi fylogenetického vývoje nervového systému. Telencephalon se podílí na regulaci funkcí základních sekcí.
Přechod obratlovců z vodního na suchozemský způsob života je spojen s řadou změn v centrální nervové soustavě. Například u obojživelníků se v míše objevují dvě ztluštění odpovídající pánevním a hrudním pletencům končetin. V spinálních gangliích jsou místo bipolárních senzorických neuronů soustředěny unipolární s procesem větvení ve tvaru T, který poskytuje vysokou rychlost excitace bez účasti těla buňky. Ke strukturálním změnám dochází i v mozkovém kmeni v důsledku redistribuce funkčního významu různých úseků. V medulla oblongata je pozorována redukce jader postranní linie a tvorba kochleárního sluchového jádra, které analyzuje informace z primitivního orgánu sluchu. Ve srovnání s rybami vykazují obojživelníci, kteří mají spíše stereotypní pohyb, výrazné snížení objemu mozečku. Střední mozek, stejně jako u ryb, je vícevrstvá struktura, ve které jsou spolu s rostrálními colliculi – hlavní součástí integrace vizuálního analyzátoru – další tuberkuly – předchůdci kaudálních colliculi střešní desky.
Nejvýznamnější změny z evolučního hlediska nastávají v diencefalu obojživelníků. Tady stojí odděleně thalamus (vizuální thalamus), rozlišují se strukturovaná jádra (vnější geniculate body) a vzestupné dráhy spojující zrakový thalamus s kůrou (thalamokortikální dráha).
V hemisférách předního mozku dochází k další diferenciaci rudimentů staré a starověké kůry. Ve staré kůře (archeokortex) se nacházejí hvězdicovité a pyramidální buňky. V mezeře mezi starou a prastarou kůrou se objevuje pruh pláště, který je předchůdcem nová kůra mozková (neokortex).
Obecně platí, že vývoj předního mozku vytváří předpoklady pro přechod od mezencefalocerebelárního integračního systému charakteristického pro ryby k disefalotelencefalický, kde se přední mozek stává vedoucí sekcí a thalamus diencephalonu se mění ve sběrač všech aferentních signálů. Dochází k další diferenciaci vazeb mezi střechou středního mozku a thalamem, který je jakoby předsíňkou vstupu do kůry všech vzestupných smyslových drah. V samotném thalamu dochází k další izolaci jaderných struktur a navazují se mezi nimi specializované spoje.
