Nei vertebrati si osservano alcune differenze fondamentali. È infatti possibile individuare due strutture diverse, il telencefalo e il diencefalo, che formano il cervello vero e proprio, detto anche prosencefalo, mentre le altre strutture contenute all'interno della scatola cranica (mesencefalo ponte e bulbo) formano il tronco encefalico. Nei primi vertebrati acquatici (agnati e ittiopsidi), il telencefalo è solo una piccola protuberanza con funzioni sensoriali (olfattive) e il prosencefalo stesso è molto piccolo rispetto all'encefalo nel suo insieme, mentre il mesencefalo raggiunge dimensioni considerevoli. Questo fenomeno è correlato alla maggiore importanza che ha l'afferenza sensoriale della linea laterale, a sua volta correlata alla maggior mobilità di questi animali nell'ambiente tridimensionale.