大脑内有3层膜，从外到内分别是硬脑膜、蛛网膜和软脑膜，它们负责保护和滋养中枢神经系统。硬脑膜是一个坚硬、没有弹性的外膜，它由两层膜构成，有时它们紧紧地贴在一起，有时会形成一些腔室。蛛网膜是一层非常薄的半透明的膜，较为脆弱，因上面分布着大量的血管而得名。软脑膜最为脆弱，它是一层紧贴在大脑表面的血管网。它伸入大脑的脑回，为神经细胞提供营养。

血液并不与神经细胞接触，而是通过另一种被称为“大脑间隙液”的液体给神经细胞提供营养。实际上，神经细胞是直接浸没在大脑间隙液中的。脑脊液和大脑间隙液之间可以自由地进行物质交换，而血液中只有有限的物质能够进入大脑间隙液，这是由叫作“血脑屏障”的体系调控。比如，血液中的血浆蛋白无法穿过毛细血管壁进入大脑间隙液。

蛛网膜与软脑膜之间以及大脑的腔室内都充满了脑脊液，脑脊液的密度与大脑相同，因此可以说大脑是“悬浮”在脑脊液环境中。当头部突然受到冲击时，脑脊液可以起到缓冲作用，防止大脑撞到坚硬的颅骨上。此外，脑脊液在神经细胞与大脑间隙液之间的物质交换中也起到非常重要的作用。脑脊液流经大脑的各个腔室，进入与大脑腔室相连的狭窄的脊髓中央管。同时，脑脊液也可以流进蛛网膜下面的空隙，并在脑膜内循环流动，带走脑细胞产生的废物。最后，脑脊液中的废物再次进入血液，通过大脑内的静脉流回心脏。

大脑消耗的能量约占人体消耗能量总量的20%，比其他任何器官都多。在清醒状态下，你的大脑每秒消耗 25焦耳的能量，这足以点亮一个灯泡!尽管人类大脑仅占体重的2%，它却获得了15%的心输出量、20%的总耗氧量及50%的总耗糖量。

大脑需要血液提供连续而充足的氧气和葡萄糖，而且大脑比其他组织更依赖于血液供给。这是因为人体中大部分组织都能在无氧条件下进行代谢、提供能量，但是脑组织无法在无氧条件下代谢。大多数组织可以利用葡萄糖以外的其他原料提供能量，肝脏和肌肉还能将葡萄糖储存起来，而大脑通常只能利用葡萄糖。在某些极端的情况下，大脑也可以利用肝脏产生的酮类物质提供能量，但是这些物质也需要通过血管运输到大脑。