Hjernestammen inkluderer midthjernen, pons og medulla oblongata (Fig. 8). Felles for disse er at de inneholder både kjerner og baner av nerveceller.
Kjernene er ansamlinger av nerveceller som styrer spesifikke funksjoner. Nervebanene er bunter av aksoner som løper mellom ulike strukturer eller steder i hjernen.
I midthjernen finner vi for eksempel kjerneparene substantia nigra. Disse inneholder nerver som i stor grad bruker dopamin som nevrotransmittersubstans, og er koplet til basalkjernene og motorikk, altså muskelkontroll. Ødeleggelse av nervecellene i substantia nigra er utgangspunktet for sykdommen Parkinsons sykdom, som blant annet er karakterisert av skjelvende hender, muskelstivhet og rykkvis gange.
Medulla oblongata (den forlengede ryggmarg) ligger slik til at den utgjør koblingen mellom hjernen og ryggmargen, men den tilhører altså hjernen. Her finner vi flere kjerner som blant annet utgjør kardiovaskulært senter som regulerer blodtrykk, og respiratorisk senter som regulerer respirasjon (inn-/utpust).
Videre finner vi her flere reflekssentre, blant annet for svelging, hoste, brekning og oppkast. (Vi kommer tilbake til mer om reflekser senere). I tillegg finner vi i medulla oblongata utløpere for svært mange av hjernenervene som tilhører det perifere nervesystem. (Disse skal vi også komme tilbake til.)
Fig.8 Hjernens indre struktur