Общая площадь поверхности капилляров мозга велика и составляет в среднем 52 см2/г ткани, причем в различных структурах этот показатель не одинаков. Так, в белом веществе мозга обезьяны площадь капилляров составляет 38 см2/г ткани, а в коре головного мозга - 192 см2/г. Большая площадь контакта сосудистого русла и ткани мозга объясняет почему в мозг быстро проникают жирорастворимые ксенобиотики, для которых эндотелий сосудов, базальная мембрана и мембраны астроцитарной глии не представляют преграды. Вместе с тем перечисленные структуры образуют барьер, который не преодолим для очень многих ксенобиотиков.
Гематоэнцефалический барьер формируется благодаря уникальным особенностям анатомических структур головного мозга.
Во-первых, эндотелий капиллярного русла головного мозга отличается от эндотелия других органов чрезвычайно тесным контактом клеток друг с другом. Эффективный радиус пор капилляров мозга значительно меньше, чем в других тканях и составляет, например, у кролика 0,7 - 0,9 нм. Крупные молекулы не в состоянии проникать через эндотелиальный барьер. Водо-растворимые и заряженные молекулы могут проходить непосредственно через биомембраны и цитоплазму эндотелиальных клеток только в том случае, если имеют малые размеры (CN-). В норме эндотелиальные клетки мозга лишены способности к пиноцитозу. Лишь при некоторых патологических состояниях (гипоксия) в ЦНС в эндотелии образуются пиноцитарные вакуоли, при этом возрастает проницаемость гематоэнцефалического барьера, увеличивается уязвимость мозга для действия токсикантов.
Во-вторых, капилляры мозга плотно окутаны отростками астроцитарной глии. Астроцитарная оболочка препятствует проникновению гидрофильных ксенобиотиков из крови в ткань мозга и их взаимодействию с другими клеточными элементами. В некоторых областях мозга, таких как срединное возвышение гипоталямуса, медиальная преоптичесая область, область четвертого желудочка мозга, астроцитарная оболочка развита сравнительно слабо. В этих регионах возможно проникновение водо-растворимых и даже заряженных молекул токсикантов в ЦНС, но также в ограниченном количестве.
Наконец последней структурой, вносящей вклад в формирование ГЭБ, является базальная мембрана, залегающая между эндотелиальными клетками капилляров и отростками астроцитов. Эта мембрана имеет упорядоченную фибриллярную макропротеидную структуру, обеспечивающую избирательное проникновение в мозг ряда важных для обеспечения его жизнедеятельности молекул (кислород, глюкоза и др.).
Аналогичный барьер окружает периферический отдел нервной системы (гематоневральный барьер). Также как и в ЦНС здесь имеются структуры с повышенной проницаемостью для токсикантов. К числу таких структур относятся корешки дорзальных ганглиев и вегетативные (автономные) ганглии.
Особенностью капиллярного русла мозга является наличие хориоидального сплетения. Это сплетение образуется капиллярами и клетками однослойного кубического эпителия, выстилающего полости желудочков мозга. Хориоидальное сплетение - место образование ликвора, жидкости, заполняющей желудочки мозга. Переход веществ из крови в ликвор определяется проницаемостью стенки капилляра и клеточной мембраны эпителия сплетения (гематоликворный барьер) и в целом затруднен для водо-растворимых и заряженных молекул. В свою очередь обмен веществ между ликвором и тканью мозга ограничивается лишь тонким слоем хорошо проницаемой эпендимы. При объяснении закономерностей распределения веществ в мозге допускают, что жидкость межклеточного пространства и ликвор желудочков мозга представляют собой единое целое. В этой связи концентрация веществ в ликворе принимается равной концентрации в межклеточном пространстве. Это допущение в значительной степени справедливо для водо-растворимых веществ и в меньшей степени - для жирорастворимых. Многие вещества, для которых гематоэнцефалический и гематоликворный барьеры не проницаемы, оказывают действие на ЦНС при их введении в желудочки мозга.