Ένα περίπλοκο σύστημα αρτηριών παρέχει στον εγκέφαλο το οξυγόνο που χρειάζεται για να λειτουργήσει. Οι εσωτερικές καρωτίδες και οι σπονδυλικές αρτηρίες είναι τα κύρια αγγεία του εγκεφάλου που παρέχουν αίμα στον εγκέφαλο. Αυτές οι αρτηρίες σχηματίζουν έναν κύκλο γνωστό ως κύκλο του Willis, ο οποίος πήρε το όνομά του από τον Thomas Willis, τον Βρετανό γιατρό που τον ανακάλυψε. Ο κύκλος του Willis βρίσκεται στη βάση του εγκεφάλου, όπου ενώνονται με άλλα αγγεία του εγκεφάλου. Αυτό το αρτηριακό σύστημα έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε εάν υπάρχει απόφραξη σε μία αρτηρία, η ροή του αίματος μπορεί να εκτραπεί σε άλλες αρτηρίες.
Οι εσωτερικές καρωτιδικές αρτηρίες παρέχουν αίμα στο μπροστινό μέρος του εγκεφάλου. Η αριστερή εσωτερική καρωτίδα παρέχει αίμα στο αριστερό τμήμα του εγκεφάλου και η δεξιά εσωτερική καρωτίδα παρέχει αίμα στο δεξί τμήμα. Καθώς κάθε εσωτερική καρωτιδική αρτηρία εισέρχεται στο κρανίο, χωρίζεται σε τρεις κλάδους που συνδέονται με την πρόσθια εγκεφαλική αρτηρία, τη μέση εγκεφαλική αρτηρία και την οπίσθια αρτηρία επικοινωνίας.
Η πρόσθια εγκεφαλική αρτηρία παρέχει αίμα στους μετωπικούς λοβούς. Οι μετωπικοί λοβοί είναι τα μέρη του εγκεφάλου που ελέγχουν την προσωπικότητα, τη λογική σκέψη και την εθελοντική κίνηση. Η μέση εγκεφαλική αρτηρία παρέχει αίμα σε μέρη του μετωπιαίου, βρεγματικού και κροταφικού λοβού του εγκεφάλου. Αυτό το αγγειακό έδαφος σχετίζεται με τις αισθητηριακές και κινητικές δραστηριότητες του χεριού, του βραχίονα, του λαιμού και του προσώπου και επηρεάζει την ομιλία.
Η οπίσθια επικοινωνούσα αρτηρία παρέχει αίμα στους κροταφικούς και ινιακούς λοβούς. Ο κροταφικός λοβός ελέγχει τη μνήμη, τη γλώσσα και την ακουστική επεξεργασία. Ο ινιακός λοβός ελέγχει την όραση και είναι υπεύθυνος για εργασίες όπως η κινητική αντίληψη, η χωρική επεξεργασία και η διάκριση χρώματος.
Οι σπονδυλικές αρτηρίες συνδέονται με τις βασικές αρτηρίες. Αυτά τα αγγεία του εγκεφάλου παρέχουν αίμα στο στέλεχος του εγκεφάλου, στο πίσω μέρος του εγκεφάλου και μέρος της παρεγκεφαλίδας. Το εγκεφαλικό στέλεχος συντονίζει τις κινήσεις στην αριστερή και δεξιά πλευρά του σώματος. Ο εγκέφαλος σχετίζεται με την κρίση, την αντίληψη, τη λήψη αποφάσεων, τη σκέψη και τη φαντασία και η παρεγκεφαλίδα ελέγχει την ισορροπία και την κίνηση.
Ο εγκέφαλος απαιτεί μια συνεχή ροή αίματος για να διατηρήσει τους ιστούς του υγιείς και να υποστηρίξει τη λειτουργία των νεύρων. Έχει υπολογιστεί ότι ο εγκέφαλος χρησιμοποιεί περίπου το 25 % του οξυγόνου στο σώμα και σχεδόν το 20 % του αίματος. Σε αντίθεση με άλλους ιστούς του σώματος, ο εγκέφαλος δεν μπορεί να αποθηκεύσει καύσιμα, επομένως χρειάζεται τη συνεχή παροχή γλυκόζης που μπορεί να παρέχει η συνεχής κυκλοφορία του αίματος. Τα αγγεία του εγκεφάλου κυκλοφορούν αίμα σε όλο τον εγκέφαλο για να διασφαλίσουν ότι όλα τα νεύρα και τα κύτταρα του λαμβάνουν τα θρεπτικά συστατικά που χρειάζονται.