Sự biệt hóa của ống thần kinh thành các vùng khác nhau của hệ thần kinh trung ương thường xảy rađồng thời theo 3 mức độ khác nhau. Ở mức giải phẫu, ống thần kinh và xoang của chúng phình ra và co lại tạo thành các buồng não và tủy sống. Ở mức mô học, các đám tế bào trong thành ống thần kinhtự sắp xếp lại tạo thành các vùng chức năng khác nhau của não và tủy. Cuối cùng ở mức tế bào, các tế bào biểu mô thấn kinh tự biệt hóa thành các loại tế bào thần kinh và các tế bào thần kinh giao trong cơ thể.
1. Sự biệt hóa theo trục trứơc-sau:
Lúc mới thành lập, ống thần kinh có dạng là một ống thẳng. Về sau, phần phía trước của ống có sự biến đổi. Ở vùng này, ống thần kinh phình ra thành 3 túi: não trước nguyên thủy, não giữa và não sau nguyên thủy. Khi phần sau của ống thần kinh khép kín, các túi thị giác phát triển sang bên từ mỗi phía của não trước. Não trước nguyên thủy lại được chia thành hai phần là não trước và não trung gian. Về sau não trước trở thành hai bán cầu đại não còn não trung gian sẽ tạo thành đồi thị và vùng dưới đồi tiếp nhận các tín hiệu thần kinh từ võng mạc. Não sau nguyên thủy được chia thành não sau và não cuối. Não sau trở thành tiểu não có vai trò điều phối cử động, tư thế và cân bằng. Não cuối trở thành hành tủy là trung tâm điều hòa các hoạt động của hệ hô hấp, tiêu hóa và tim mạch. Xoang bên trong não trở thành các não thất có chứa dịch não tủy. Các phần của não bộ và dẫn xuất của chúng ở cơ thể trưởng thành được trình bày trong hình sau:
2. Sự biệt hóa theo trục lưng - bụng.
Ống thần kinh được phân cực theo trục lưng-bụng. Chẳng hạn ở tủy sống vùng lưng là nơi các tế bào thần kinh tủy nhận thông tin di truyền vào từ các tế bào thần kinh cảm giác, trong khi vùng bụng là nơi có các tế bào thần kinh vận động. Ở giữa là một số lớn các tế bào thần kinh trung gian.