vignette|Cette image montre le système nerveux d'une sangsue et d'un Humain, côte à côte, illustrant la structure segmentaire de base du système nerveux des bilatériens.
L'évolution du système nerveux débute avec l'apparition des premiers systèmes nerveux chez les animaux (ou métazoaires).
Les neurones, des cellules spécialisés dans la signalisation électrique, apparaissent chez les animaux multicellulaires, en conservant le mécanisme des potentiels d'action déjà présents chez des cellules unicellulaires mobiles et des colonies d'eucaryotes. Leur organisation varie ensuite fortement, révélant des trajectoires évolutives distinctes.
Chez les cténophores qui semblent maintenant avoir été les premiers ancêtres connus de tout le règne animal (antérieurs aux éponges), le réseau nerveux prend la forme d’un syncytium continu, sans neurones individuels ni synapses, confirmant pour ce groupe la théorie réticulaire de Golgi et suggérant une évolution indépendante du système nerveux.
On retrouve ensuite dans le règne animal des réseaux nerveux diffus simples (dépourvus de centralisation ou de céphalisation) comme chez les cnidaires évolués (tels que les hydres et les anémones de mer), des cordons nerveux chez les animaux bilatéraux – dont des chez les invertébrés et des provenant de la notochorde chez les chordés. Pour finir, la bilatéralisation a conduit à l'apparition du cerveau, par un processus complexe appelé céphalisation.
Origine Les potentiels d'action, nécessaires à l'activité neuronale, apparaissent chez les eucaryotes unicellulaires. Ces potentiels « primitifs » utilisent le calcium plutôt que le sodium. Le rôle des potentiels d'action dans la signalisation neuronale électrique apparaît ensuite chez les animaux multicellulaires.
Chez les cténophores (ancêtres de tout le règne animal connu) le réseau nerveux prend la forme d’un syncytium continu, sans neurones individuels et sans Synapses. Puis une nouvelle voie évolutive apparaît, probablement chez l’ancêtre commun des cnidaires et des bilâtériens et qui se développera dans le reste du monde animal, avec cette fois des alignements et réseaux de neurones distincts reliés entre eux par des synapses.
Au sein des bilatériens, l’apparition d’un système nerveux centralisé chez les protostomiens (arthropodes, mollusques) et les deutérostomiens (dont les vertébrés) marque une transition majeure vers des architectures hiérarchiques permettant l’intégration de l’information et des traitements cognitifs complexes. Ces innovations expliquent la diversité des capacités comportementales observées, notamment chez les céphalopodes : les pieuvres, dotées d’environ 500 millions de neurones, présentent des comportements sophistiqués tels que l’usage d’outils, la mémoire à long terme ou la curiosité. L’ensemble des données comparatives montre que le nombre de neurones et la taille du système nerveux constituent des facteurs déterminants de l’évolution des capacités cognitives, même chez des lignées très éloignées..
Dans certaines colonies d'eucaryotes, notamment les obelias, les signaux électriques ne se propagent pas seulement à travers les réseaux de neurones, mais aussi à travers les cellules épithéliales du système digestif commun à toute la colonie..
La corde nerveuse ventrale, un élément clé du système nerveux central, apparaît chez les premiers animaux à effectuer leur croissance par mues successives, les ecdysozoaires qui comprennent les arthropodes (dont les insectes et les crustacés), les nématodes et les vers priapuliens. En 2025, l'étude comparée de fossiles exceptionnellement bien conservés du Cambrien de Chine et de vers priapuliens actuels dévoile comment la corde nerveuse ventrale a évolué chez les ecdysozoaires. Ces fossiles sont de petits vers du groupe des scalidophores (abondants et diversifiés dès la base du Cambrien, vers ), très proches de vers priapuliens toujours présents en Suède et en Russie. Leur système nerveux, très simple, est constitué d'une corde ventrale unique et d'un réseau de nerfs longitudinaux et circulaires qui permettaient notamment à ces vers de se contracter et de fouir le sédiment. Des systèmes nerveux plus sophistiqués se développent ensuite rapidement à partir de ce prototype, notamment chez les arthropodes qui présentent une double corde ventrale et un cerveau plus différencié. L'acquisition d'un système nerveux plus performant représente une innovation clé, augmentant les capacités sensorielles et motrices des premiers animaux...
Éponges Les éponges ne possèdent pas de cellules reliées par des jonctions synaptiques, ce qui implique l’absence de neurones, et donc de système nerveux. Cependant, elles présentent des homologues de nombreux gènes qui jouent un rôle clé dans le développement des synapses. Des études récentes ont montré que les cellules des éponges expriment un groupe de protéines qui s'assemblent pour former une structure ressemblant à une postsynaptic density (PSD) (localisée dans la partie réceptrice du signal). Cependant, la fonction de cette structure est mal déterminée. Bien que les cellules de l'éponge n'utilisent pas de transmission synaptique, elles communiquent bien les unes avec les autres via des ondes de calcium et diverses impulsions, qui permettent quelques actions simples telle que la contraction générale du corps.
Réseau nerveux diffus
vignette|Système nerveux diffus d'une hydre. Les cnidaires (comme les méduses ou les hydres..), les cténophores, et autres animaux en relation possèdent un réseau nerveux diffus (nerve nets en anglais) plutôt qu'un système nerveux central. Chez la plupart des méduses le réseau nerveux diffus est réparti plus ou moins uniformément dans le corps; chez les cténophores il est concentré près de la bouche. Ce réseau nerveux diffus est constitué de neurones sensoriels qui réagissent à des signaux chimiques, tactiles et visuels ; de neurones moteurs qui peuvent déclencher des contractions à la surface du corps ; et des neurones dits « intermédiaires » qui reconnaissent les schémas d'activité des neurones sensoriels et envoient les signaux appropriés à des groupes de neurones moteurs. Dans certains cas, ces neurones intermédiaires se regroupent sous forme de ganglions.
Chez les radiatas, le développement du système nerveux est relativement peu structuré. Contrairement aux bilateriens, les radiatas ont seulement deux couches de cellules primordiales, l'endoderme et l'ectoderme (absence de mésoderme). Les neurones apparaissent à partir d'un groupe spécial de cellules ectodermiques, qui sert également de précurseurs pour toutes les autres cellules ectodermiques..
Cordons neuraux alt=A rod-shaped body contains a digestive system running from the mouth at one end to the anus at the other. Alongside the digestive system is a nerve cord with a brain at the end, near to the mouth.|droite|vignette|Système nerveux d'un bilatérien sous la forme d'un cordon nerveux avec des segments élargis (ganglions), et un « cerveau » à l'avant. La grande majorité des animaux sont bilatériens, avec un côté gauche et droit qui sont approximativement images l'un de l'autre dans un miroir. Tous les bilatériens ont pour ascendant commun un ancêtre vermiforme apparu durant la période édiacarienne (allant de -550 à -600 millions d'années). La forme fondamentale des bilatériens adultes est celle d'un tube possédant une cavité abdominale allant de la bouche à l'anus et un cordon nerveux avec des élargissements (des « ganglions ») pour chaque segment du corps, avec un plus grand ganglion à l'avant qualifié de « cerveau ». Le cordon nerveux (structure « primitive » définitive) ne doit pas être confondu avec le tube neural (structure embryonnaire transitoire) même si les deux ont un lien très proche. Pour aider à la représentation de ces cordons neuraux, chez l'humain le cordon neural principal peut être grossièrement associé à la moelle épinière. gauche|vignette|Zone superficielle du corps humain en lien avec son innervation spinale. vignette|Système nerveux embryonnaire humain. Même les mammifères, y compris les humains, montrent une segmentation bilatérienne du corps (notamment au niveau du système nerveux). Le canal rachidien contient la moelle épinière, d'où émergent les axones moteurs des muscles et les axones des interneurones de la motricité des viscères et des vaisseaux sanguins. Le canal rachidien héberge également une série de ganglions spinaux d'organisation segmentaire, chacun donnant lieu à des nerfs sensitifs qui innervent le derme et l'épiderme, la musculature sous-jacente, ses tendons et ses os, les articulations et leurs ligaments, les vaisseaux sanguins, les viscères et les autres organes « internes ». Cette organisation pour les membres suit un modèle complexe, sauf pour le tronc dont les zones innervées apparaissent comme une succession de bandes étroites. Les trois premiers segments appartiennent au cerveau, donnant naissance au prosencéphale, au mésencéphale et au rhombencéphale..
Les bilatériens peuvent être divisés sur la base des événements qui se produisent très tôt dans le développement embryonnaire, en deux groupes (phylum) appelés les protostomiens et les deutérostomiens.
Les deutérostomiens incluent les vertébrés ainsi que les échinodermes, les hémichordés, et les xenoturbellidiens.
Les protostomiens, le groupe le plus diversifié, incluent les arthropodes, les mollusques et de nombreux types de vers. Il y a une différence fondamentale entre les deux groupes concernant la mise en place du système nerveux : les protostomiens possèdent un cordon nerveux sur la face ventrale (généralement en bas), tandis que chez les deutérostomiens le cordon est dorsal (généralement en haut). En fait, de nombreux aspects de l'organisme sont inversés entre les deux groupes, notamment les zones d'expression de plusieurs gènes participant au gradient dorso-ventral. La plupart des anatomistes contemporains considèrent que le corps des protostomiens et des deutérostomiens est « retourné » l'un par rapport à l'autre, une hypothèse proposée pour la première fois par Geoffroy Saint-Hilaire entre insectes et vertébrés. Ainsi les insectes ont, par exemple, les cordons neuraux le long de la ligne médiane ventrale du corps, tandis que chez tous les vertébrés la moelle épinière court le long de la ligne médiane dorsale.
Vers (protostomien) droite|vignette|250x250px|Système nerveux d'un ver de terre. En haut : vue de côté de la partie antérieure du ver. En bas : le système nerveux isolé, en vue de dessus. Les vers sont les animaux bilatériens les plus simples, et comprennent une structure nerveuse bilatérienne basique des plus directes – Suny Orange. Par exemple, les vers de terre ont un double cordon neural qui suit la longueur du corps et fusionne au niveau de la queue et de la bouche. Ces cordons neuraux sont reliées par des nerfs transverses comme les barreaux d'une échelle. Ces nerfs transverses aident à coordonner les deux côtés de l'animal. Deux ganglions situés à la tête (portion terminale) ont une fonction semblable à celle d'un cerveau primitif. Les photorécepteurs à l'avant captent des informations sensorielles lumineuses..
Le système nerveux d'un très petit ver, le ver rond Caenorhabditis elegans, a été cartographié jusqu'au niveau synaptique. Chaque neurone avec sa descendance cellulaire a été enregistré et toutes les connexions neuronales sont connues. Dans cette espèce, le système nerveux entraîne un dimorphisme sexuel ; les systèmes nerveux des deux sexes, mâles et hermaphrodites, ont des neurones spécifiques et différents responsables des fonctions sexuelles. Chez Caenorhabditis elegans, les mâles ont exactement 383 neurones, tandis que les hermaphrodites en ont exactement 302.
Arthropodes (protostomien) droite|vignette|250x250px|Anatomie interne d'une araignée, montrant le système nerveux en bleu