Le rôle de la barrière hémato-encéphalique est d'isoler le cerveau des substances indésirables qui peuvent se trouver dans la circulation sanguine, tout en permettant le passage de nutriments indispensables au fonctionnement du cerveau (20 % du métabolisme général de l'organisme), ainsi que l'évacuation des déchets produits par ce fonctionnement. Par conséquent, une attention toute particulière est portée, dans l'anatomie de la barrière hémato-encéphalique, aux éléments constitutifs de l'étanchéité entre le capillaire et l'espace cérébral, ainsi qu'aux éléments susceptibles de transport actif ou passif des matières entre ces deux espaces.
De la lumière du capillaire aux neurones, on trouve ainsi successivement l'endothélium du capillaire avec toutes ses spécificités d'étanchéité, sa lame basale, les péricytes, qui assurent un contrôle sur les échanges, et enfin les astrocytes, qui recouvrent presque toute la surface avec leurs pieds, et qui se chargent d'effectuer les transports directs entre capillaire et neurones.
Vue générale thumb|250px|left|La barrière hémato-encéphalique, du cerveau aux jonctions serrées. thumb|250px|Comparaison entre capillaires périphériques et cérébraux. thumb|250px|Schéma de construction des vaisseaux cérébraux, depuis l'artère de la pie-mère jusqu'aux capillaires, en passant par les artérioles.
L'élément essentiel de la barrière hémato-encéphalique est constitué par les cellules endothéliales avec leurs jonctions serrées. Mais deux autres types de cellules sont également importants, tant du point de vue de la fonction que celui de la naissance et de la croissance de la barrière hémato-encéphalique : les péricytes et les astrocytes. Les interactions entre cellules endothéliales, péricytes et astrocytes sont plus étroites qu'entre tous autres types de cellules. Ces trois types de cellules forment ensemble la barrière hémato-encéphalique de la plupart des vertébrés, la barrière hémato-encéphalique cellulaire. (article de revue).. Les données anatomiques qui suivent se rapportent à la barrière hémato-encéphalique des vertébrés. La barrière hémato-encéphalique gliale de certains vertébrés et de beaucoup d'invertébrés sera abordée séparément à la fin de cette section .
L'endothélium
thumb|250px|left|Vue au microscope électronique d'une section d'un vaisseau périphérique. Le diamètre des capillaires est de 7 à . Au milieu, en noir, un érythrocyte.
Les capillaires sont tapissés – comme les vaisseaux périphériques – de cellules endothéliales. L'endothélium des capillaires périphériques possède, pour l'échange de l'eau et des matières qui y sont dissoutes ou en suspension entre le sang et le liquide intercellulaire du tissu environnant, des ouvertures (fenêtres) d'environ de diamètre et des fentes entre cellules de 0,1 à de large. Entre les cellules endothéliales du cerveau, il n'y a au contraire aucun fenestrage, ni fente intercellulaire., ce pourquoi on parle aussi d'un « endothélium continu ».. La membrane cellulaire du côté de l’intérieur du capillaire (« luminale ») diffère considérablement du point de vue de la composition en protéines de celle de la membrane du côté du tissu interstitiel (« apicale »).
La quantité de vésicules de pinocytose, qui permettent l'endocytose de substances dissoutes, est très faible dans l'endothélium du cerveau. (article de revue)..
thumb|250px|Produit perméabilité × surface des capillaires pour 5 substances : diamètres moléculaires en abscisse (urée, saccharose, inuline, albumine, IgG). De haut en bas : foie, poumon, muscle et cerveau (représentation semi-logarithmique).
Par contraste, le nombre des mitochondries est environ de 5 à 10 fois plus élevé que dans les capillaires périphériques. Ceci indique le besoin élevé en énergie de l'endothélium – entre autres pour les processus de transport actif – et un métabolisme élevé.. La barrière hémato-encéphalique se montre donc une barrière non seulement physique, mais encore métabolique, ou plutôt enzymatique .... (article de revue).. Dans la membrane cellulaire de l'endothélium, on trouve une série d'enzymes en quantité particulièrement élevée, comme dans les cellules du parenchyme. Ces enzymes comprennent notamment la γ-Glutamyltransférase, la phosphatase alcaline et la glucose-6-phosphatase. Les enzymes métaboliques comme la catéchol-0-méthyltransférase, la monoaminooxydase ou le cytochrome P450 sont également actives en relativement haute concentration dans l'endothélium.. (article de revue. De cette manière, beaucoup de substances sont métabolisées avant ou pendant leur transport intracellulaire. Les cellules endothéliales sont minces, de 0,3 jusqu'au plus . Par comparaison, les entérocytes, cellules épithéliales de l'intestin, sont bien plus épaisses, de 17 à (article de revue).. Le rapport du cholestérol aux phospholipides se situe, comme pour les autres cellules endothéliales à 0,7.. Les processus de simple diffusion à travers la membrane cellulaire sont donc aussi rapides au niveau de la barrière hémato-encéphalique que dans les autres épithéliums.. Les cellules endothéliales présentent sur leurs membranes une quantité d'aquaporines pour la régulation de la quantité d'eau au sein du cerveau. Ces canaux spécialisés permettent une libre diffusion des molécules d'eau dans les deux sens..
L'absence de fenestrages et le manque de vésicules pinocytotiques représentent l'aspect passif de la barrière hémato-encéphalique. Cet effet de barrière peut être quantifié par sa résistance électrique. Chez un rat adulte et sain, la résistance monte à environ à . Par opposition, la valeur pour des capillaires de tissu musculaire est d'environ ..
Les systèmes de transport actifs de l’endothélium décrits plus loin en plus grand détail constituent la partie active de la barrière hémato-encéphalique.
Les jonctions serrées
left|thumb|250px|Représentation schématique des protéines de la membrane des jonctions serrées. thumb|250px|Jonctions serrées de la BHC d'un rat, prises au microscope électronique par la technique de gel-etch. thumb|left|250px|Protéines structurales d'une jonction serrée.
Les cellules endothéliales sont liées ensemble par de solides liaisons, appelées jonctions serrées. Ces jonctions contribuent substantiellement à la fonction de la barrière hémato-encéphalique... Elles ferment pratiquement complètement la voie de transport paracellulaire, c'est-à-dire l'échange de matières entre les membranes de deux cellules endothéliales voisines (Article de revue)....
Plusieurs protéines membranaires comme l'occludine, diverses claudines et molécules d'adhésion de jonction (JAM sous leur sigle anglophone) relient les cellules endothéliales dans la région apicale des parois cellulaires latérales en bandes de protéines qui font un tour complet, et se connectent en jonctions serrées, qui interdisent largement le transport de matières entre les membranes cellulaires endothéliales(Article de revue). Les liaisons protéine-protéine travaillent comme des sécurités en parallèle, c'est-à-dire perdent leur efficacité dès que l'une cède.
Les cellules endothéliales de la barrière hémato-encéphalique expriment surtout deux des 24 claudines connues, la C-5 et la C-12. La C-5 est considérée comme la plus importante des molécules d'adhésion de cellules dans la barrière hémato-encéphalique.. La désactivation du gène CLDN5 qui code la claudine-5, conduit chez les souris ainsi modifiées à ce que la barrière hémato-encéphalique devient perméable aux molécules de masse molaire inférieure à . Les animaux ainsi génétiquement modifiés meurent dans les quelques heures qui suivent leur naissance..
Par fixation, l'endothélium montre ses deux faces très différentes : la face luminale, du côté du sang, et la face abluminale, du côté du cerveau.
La lame basale
thumb|250px|left|La lame basale d'une cellule épithéliale.
Les cellules endothéliales sont complètement entourées par une couche protéique, la lame basale. Cette double couche épaisse de n'est visible qu'au microscope électronique. Elle est constituée essentiellement de collagène de type IV, de protéoglycanes-héparan-sulfate, de laminine, de fibronectine et autres protéines de la matrice extracellulaire. Cette lame basale touche la membrane plasmatique des pieds astrocytaires.
Les péricytes
thumb|250px|left|Vue au microscope électronique d'un péricyte (dr.), et d'un capillaire avec 3 érythrocytes (g.).
Les péricytes, tout d'abord nommés « cellules de Rouget »dans la littérature ancienne, d'après leur découvreur Charles-Marie Benjamin Rouget (1824–1904)., sont une partie importante de la barrière hémato-encéphalique (article de revue).. Trois propriétés sont prééminentes dans ce contexte : leur possibilité de contraction, la régulation de l'endothélium, et leur activité de macrophages..
Environ 20 % de la surface externe de l'endothélium des capillaires cérébraux est couvert de péricytes relativement petits, de forme ovale. Une cellule endothéliale sur 2 à 4 est en contact avec un péricyte. Les péricytes en contact avec deux cellules endothéliales sont donc privilégiés... Les péricytes se trouvent sur presque tous les artérioles, veinules et capillaires – non seulement sur l'endothélium cérébral. La couverture de l'endothélium avec des péricytes est directement corrélée avec l'étanchéité des jonctions serrées. Dans les capillaires fenestrés, comme dans les muscles squelettiques, le rapport entre cellules endothéliales et péricytes tourne autour de 100 (article de revue). (article de revue)..
Comme l'endothélium, les péricytes sont aussi entourés d'une lame basale.
Le contact cellulaire endothélium-péricyte
thumb|250px|left|Représentation schématique de la jonction communicante entre cellules. Ces complexes protéiques en forme de canal sont un des types de liaisons qui relient les péricytes aux cellules endothéliales.
Les péricytes sont solidement amarrés aux cellules endothéliales. Il y a au moins trois sortes de contacts entre ces deux types de cellules. Ce sont les jonctions communicantes (complexes protidiques formant un canal), les plaques d'adhésion focales et les invaginations Peg-and-Socket. Les jonctions communicantes relient directement par leur canal les deux cytoplasmes, en permettant l'échange d'ions et de petites molécules entre les deux types de cellules. Les plaques d'adhésion focales assurent un solide ancrage mécanique des péricytes avec l'endothélium (article de revue).. Les invaginations Peg-and-Socket consistent en protubérances entrelacées de deux cellules interconnectées (article de revue).. Ce type de contact entre cellules contribue aussi apparemment à l'ancrage des péricytes sur l'endothélium.
Les deux types de cellules s'influencent réciproquement en raison de leurs mitoses et probablement aussi en raison de l'expression phénotypique des gènes (article de revue)..
Contraction
Les péricytes comportent une haute proportion de la protéine de structure contractile, l'actine. Ils peuvent donc changer le diamètre des capillaires par leurs prolongements, et donc régulariser localement la pression sanguine. (article de revue)..
Propriétés macrocytiques
Les péricytes des capillaires cérébraux sont apparemment les seuls à présenter une propriété spéciale. Ils y fonctionnent comme macrophages. On trouve donc dans le cytoplasme des péricytes beaucoup de lysosomes, et montrent in vivo la capacité d'absorption de traceurs solubles, apportés par le sang ou le liquide cérébro-spinal, et qui autrement ne sont absorbés que par les macrophages. Dans les cultures de tissus, on a démontré la capacité des péricytes à la phagocytose.. et à la présentation d'antigène..