无脊椎动物是动物进化史上的一个重要阶段，它繁盛于6亿年前的寒武纪。在无脊椎动物的不同发展阶段上，神经系统具有不同的发展水平。下面以蚯蚓和昆虫为例说明无脊椎动物神经系统的一些特点。

蚯蚓是人们熟悉的环节动物。蚯蚓身体由许多环节构成、每一个体节中央都有一个神经节，每个神经节所发出的神经分布到身体的各个部分，并把全身各个部分联合成一个整体。头部神经节集中，形成咽上神经节和咽下神经节。头部神经节发达，在神经系统演化上称为发头现象。发头现象的出现为脑的产生准备了条件。头部神经节往后是纵贯蚯蚓腹部的腹神经索，因为蚯蚓的神经系统是链索状的，所以又称链状神经系统（chain nervous system) 。头部神经节的存在使蚯蚓产生了各种感官的萌芽，如触须、刚毛和眼睛。这样蚯蚓对外界刺激的反应能力就大大提高了，它能够对多种信号刺激作出反应，初步具有了各种感觉能力。例如，蚯蚓能够对周围物体的振动和光作出反应，这些反应使它们避免成为其他动物的牺牲品。

昆虫是节肢动物的代表。昆虫种类繁多，不同昆虫的身体结构虽有很大变异，但基本结构大体相似。昆虫的身体一般分三个部分：头部、胸部和腹部。头有较敏锐的感觉器，胸有足、翅，腹无附肢。神经系统已达到较高的水平，神经细胞更趋集中，形成了三个大的神经节。头部的神经节就是脑的雏形；胸部和腹部也各有一个神经节，并形成一条神经索。它们的神经系统称节状神经系统（knot nervous system) 。

节肢动物的行为比环节动物的行为更复杂，它们能感受不同频率的声音，区分颜色和形状，分辨不同的气味。这些复杂的行为反应是和节肢动物神经系统的进化有关的。但在动物心理的整个发展过程中，它们仍处于较低级的水平。许多节肢动物尚不能利用各种感觉器官的协同活动来反应外界的影响。例如，蚂蚁是靠触须接受一种化学气味来分辨“敌我”和“认路”的，如果去掉触须就不能辨认。又如，蜘蛛捕食落入蛛网中的昆虫，是由于昆虫落网震动了蛛丝，才引起蜘蛛的反应，如果将不可食的物体投入网中或用音叉接近蛛网时，蜘蛛同样也来捕食，可见蜘蛛只能对振动的条件作出反应，而不能同时用视觉和触觉来反应外界的影响。