L’une des caractéristiques externes les plus remarquables du cerveau moyen est la présence de quatre bosses sur sa surface postérieure (le côté qui fait face à l’arrière du cerveau). Ces bosses indiquent la présence de quatre grands groupes de neurones sous-jacents ; la paire supérieure de ces groupes est connue sous le nom de colliculi supérieurs et la paire inférieure sous le nom de colliculi inférieurs. On pense que les colliculi supérieurs sont impliqués dans la direction des réponses comportementales vers les stimuli de l’environnement, tandis que les colliculi inférieurs sont mieux connus pour leur rôle dans le traitement auditif.
La surface antérieure du mésencéphale est marquée par la présence des crura cerebri (pluriel de crus cerebri), deux grands faisceaux d’axones qui se déplacent le long de la base du mésencéphale en s’étirant du pons aux hémisphères cérébraux. Ils contiennent des fibres qui font partie d’importantes voies motrices comme les trajets corticospinal et corticobulbaire. Les crura cerebri sont parfois appelées les pédoncules cérébraux, bien que ce terme soit généralement utilisé pour désigner une zone plus large qui comprend les crura cerebri ainsi qu’une grande partie du reste du mésencéphale.
Le mésencéphale est souvent divisé en trois régions. Au niveau du mésencéphale, le quatrième ventricule s’est rétréci pour former l’aqueduc cérébral, un canal qui relie le quatrième ventricule au troisième ventricule. La région du mésencéphale postérieure à l’aqueduc cérébral s’appelle le tectum, qui signifie « toit » en latin. Le tectum est principalement constitué des colliculi supérieurs et inférieurs.
La région du mésencéphale antérieure à l’aqueduc cérébral, ou en avant de celui-ci, est appelée le tegmentum. Le tegmentum contient une variété de tracts ascendants et descendants qui traversent le mésencéphale, comme le lemniscus médian et les tracts antérolatéraux. Les fibres des pédoncules cérébelleux supérieurs, la principale voie efférente du cervelet, se décussent dans le mésencéphale. Certaines de ces fibres se projettent vers un noyau du mésencéphale appelé noyau rouge, qui jouerait un rôle important dans la coordination motrice.
Il existe plusieurs autres noyaux et groupes neuronaux importants dans le tegmentum du mésencéphale. Par exemple, le tegmentum mésencéphalique contient des noyaux pour deux nerfs crâniens : le nerf crânien III (nerf oculomoteur) et le nerf crânien IV (nerf trochléaire). Il contient également des neurones qui font partie des noyaux du raphé – des groupes de neurones producteurs de sérotonine situés dans le tronc cérébral qui envoient de la sérotonine dans tout le système nerveux central. De plus, l’une des plus grandes collections de neurones producteurs de dopamine du cerveau, l’aire tegmentale ventrale, est située dans le tegmentum du mésencéphale.
La troisième région du mésencéphale est constituée de deux structures appelées pédoncules de base. Elles recouvrent les parties antérolatérales (vers l’avant et vers les côtés) du tronc cérébral. Les pédoncules de base comprennent les crura cerebri (discutés plus haut) ainsi que la substantia nigrae, qui – comme l’aire tegmentale ventrale – contiennent de grandes collections de neurones producteurs de dopamine.
Finalement, la zone entourant l’aqueduc cérébral est appelée le gris périaqueducal, ou PAG. Le GAP est reconnu depuis longtemps pour son rôle dans l’inhibition de la douleur, bien qu’on pense qu’il soit également impliqué dans de nombreuses autres fonctions allant des réponses émotionnelles à la production de vocalisations.
La zone GAP est une zone de l’aqueduc cérébral.