На четвертой неделе внутриутробного развития нервная трубка замыкается на головном и хвостовом конце, и эмбрион перестает походить на плоский диск: боковые стороны диска загибаются внутрь и срастаются по средней линии. Теперь наружная поверхность эмбриона представлена исключительно эктодермой
На четвертой неделе внутриутробного развития новообразованная нервная трубка, слегка расширенная на переднем конце, разительно напоминает нервную трубку примитивного хордового животного, такого, как ныне живущие ланцетники или древние вымершие хайкоуэллы. Человеческому мозгу предстоит еще долгий путь дальнейшего развития, а мозг ланцетника у взрослого животного представляет собой именно легкое расширение на переднем конце нервной трубки и едва ли превосходит сложностью спинной мозг. У позвоночных, включая и нас, более сложный мозг начинает формироваться уже в эмбриональном периоде; передний конец слепо заканчивающейся нервной трубки расширяется, образуя три соединенных между собой пузыря, из которых развиваются передний мозг, средний мозг и задний мозг соответственно. Развитие заднего мозга контролируется генами семейства Hox, определяющими план строения тела у многоклеточных. Эти гены имеют очень древнее происхождение – варианты этого гена присутствуют у плодовой мушки, а наш общий с ней предок жил около 800 миллионов лет назад. Области переднего и среднего мозга формируются под влиянием более молодых генов, которые возникли после эволюционного расхождения первично- и вторичноротых, но перед возникновением хордовых животных.
По мере того как передний мозг продолжает расширяться, он подразделяется на две доли, из которых в дальнейшем образуются два полушария, или, проще говоря, «большой мозг». Непосредственно позади этих долей находится пара пузырьков, которым суждено превратиться в глаза, растущие из боковых участков переднего мозга. У многих позвоночных ранние структуры головного мозга, обнаруживаемые во внутриутробном периоде, легко распознаются и во взрослом мозге. На первый взгляд может показаться, что это не касается человеческого мозга, но такое впечатление складывается только из-за того, что у нас непомерно раздуваются полушария большого мозга, которые просто погребают под собой весь остальной мозг, но если заглянуть под полушария или вскрыть их, то можно легко разглядеть структуры, возникшие из эмбриональных пузырей. Развивающийся эмбриональный мозг человека очень похож на мозг акулы, но это лишь кажущееся сходство. Человеческий мозг устроен намного сложнее, чем мозг рыбы. Мы относимся к той линии животных, у которых произошел качественный рост полушарий мозга. У млекопитающих относительные размеры полушарий больше, чем у пресмыкающихся.