Le cortex est cette mince couche de neurones (d'environ 3 mm d'épaisseur) qui recouvre la surface de chaque hémisphère cérébral. Le cortex du cerveau humain est généralement divisé en 3 parties apparues successivement au cours de l'évolution :
- l'archicortex (ou archeocortex) s'est développé en association avec le système olfactif; il correspond au gyrus dentelé et à l'hippocampe des mammifères et ne possède pas encore les six couches du néocortex;
- le paléocortex est aussi lié au système olfactif et n'est pas stratifié en différentes couches; il correspond au cortex piriforme et au cortex para-hippocampique;
- le néocortex (ou isocortex) est la portion du cortex apparue le plus récemment et constitue de loin la plus grande portion du cortex chez les primates; il possède une stratification de six couches distinctes de neurones.

Au cours de l’évolution, le cortex cérébral a augmenté de façon considérable sa surface mais très peu son épaisseur. On observe ainsi que le cortex humain est 15 % plus épais que celui du macaque, mais qu’il a une surface au moins 10 fois plus grande. Comparé à la souris, l’écart est encore plus marqué : le cortex de l’humain est deux fois plus épais, mais environ mille fois plus étendu !

Le cerveau n’a pas une fonction unique sur laquelle pourrait agir l’évolution. Il est plutôt une collection de systèmes, certains diraient des modules, contrôlant chacun des fonctions différentes. Si on prend les émotions par exemple, on connaît assez bien les différents systèmes à l’origine de la peur, de la colère ou du dégoût.

Par conséquent, l’évolution a tendance à agir sur ces systèmes individuellement plutôt que sur le cerveau dans son ensemble. Il est vrai que l’évolution a pu jouer en faveur d’une augmentation globale de la taille du cerveau des primates par exemple, mais reste que son influence se fait surtout sentir sur des systèmes spécifiques.

Chez les vertébrés, la céphalisation s'accroît généralement en allant des groupes les plus anciens (poisson) aux groupes les plus récents (mammifères). Chez les invertébrés cependant, le processus serait davantage lié à la forme générale du corps, à la diversité des organes sensoriels, au mode de vie et à la variété des comportements plutôt qu’à la place du groupe dans l’arbre phylogénétique.

On entend encore souvent parler des autres animaux comme s’ils étaient une forme dégradée des humains. Comme s’il y avait une échelle dans la nature et que tout devait tendre vers la nature humaine située évidemment au sommet.

Or ce n’est pas ce que l’on observe. Chaque lignée a évolué de façon indépendante et le rat est par exemple parfaitement adapté à son environnement. Il n’est pas en voie d’extinction et vit en parfaite harmonie dans son environnement. On pourrait dire la même chose de la majorité des espèces peuplant cette planète qui ont pourtant des cerveaux beaucoup plus petits que le nôtre.

Importance croissante des aires associatives du rat à l’humain, en passant par le chat. Aire sensorimotrice en vert; aire visuelle en rouge, aire auditive en bleu.

Par conséquent le succès, d’un point de vue évolutif, ne dépend pas de la taille du cerveau. On sait d’ailleurs que les gros cerveaux n’ont pas remplacé les petits mais se sont simplement ajoutés à eux, élargissant ainsi la distribution des tailles existantes.

D’innombrables petits cerveaux parfaitement adaptés existent encore de nos jours. Les gros cerveaux qui se sont développés plus tard sont simplement le fruit de la tendance intrinsèque de l’évolution à jouer avec toutes les possibilités. La croissance de la complexité observée partout dans la nature ne serait donc pas « l’objectif » de l’évolution, mais bien un « effet secondaire » de ses incessantes expérimentations au fil des millénaires.

Les spécialistes de l’évolution font une distinction entre des structures anatomiques homologues et analogues.

Deux structures sont homologues si elles ont une origine embryonnaire et phylogénétique commune. Ainsi, l’avant-bras d’un humain, l’aile d’un oiseau ou la nageoire pectorale d’un dauphin sont constitués des mêmes os hérités d’un lointain ancêtre commun et sont donc considérés comme des structures homologues. L’existence même de structures homologues dans le règne animal est d’ailleurs considéré comme l’une des preuves les plus solides de l’évolution.

À l’opposé, des structures analogues remplissent les mêmes fonctions chez différentes espèces qui proviennent de deux lignées évolutives complètement différentes. On pense par exemple à l’aile d’un insecte versus l’aile d’un oiseau. Les deux servent à voler mais n’ont rien en commun d’un point de vue taxonomique. Les structures analogues sont le produit de « l’évolution convergente », c’est-à-dire des solutions trouvées de manière indépendante chez des organismes différents pour faire face aux mêmes contraintes environnementales.