Under prenatalperioden går mänskliga embryon från några få celler till en fullbildad baby på cirka 38 veckor. Den mänskliga hjärnan har sin egen tidslinje för tillväxt under denna period, och den tenderar att vara konsekvent för friska mänskliga foster. De viktigaste stadierna av prenatal hjärnutveckling sker under graviditetens nio månader, inklusive skapandet av neuralröret under den första månaden, tillväxten av hjärnbarken under den andra månaden, utvecklingen av sinnena under den fjärde månaden och separationen av cortex till lober i sjätte månaden.
Forskare har kunnat komma med tidslinjen för normal prenatal hjärnutveckling tack vare flera forskningsvägar. Dessa inkluderar obduktionsundersökningar på icke-överlevande embryon och foster i olika fosterutvecklingsstadier. Läkare har också utfört experiment och dissektioner på foster från djur som har liknande hjärnstrukturer som människor, till exempel apor. Slutligen, modern teknik som bildbehandling tillåter forskare att undersöka och övervaka prenatal hjärnutveckling hos foster medan de fortfarande är i sina mödrars livmoder. Genom alla dessa metoder har experter kartlagt den fysiska utvecklingen av hjärnan samt den känslomässiga och mentala utvecklingen.
Prenatal hjärnutveckling börjar i den allra första månaden av prenatalperioden. Under denna tid tar alla andra stora organ form. Vid den tredje levnadsveckan har det mänskliga hjärtat börjat slå. Det är ungefär vid den här tiden som den tidigaste formen av en hjärna tar form. Denna struktur, som kallas neuralröret, utvecklas så småningom till ryggmärgen och hjärnan.
Under den andra och tredje månaden av utvecklingen börjar embryots ansiktsdrag utvecklas till en mer mänsklig form, inklusive mun, näsa, ögon, ögonlock och öron. Neuralröret vid denna tidpunkt börjar omvandlas till vad som kommer att bli huvuddelarna av hjärnan, inklusive hjärnbarken. På motsvarande sätt, vid den tredje månaden av prenatal utveckling, börjar embryot att visa reaktioner och reflexer. Fostrets reaktioner på yttre upplevelser, som starkt ljus och ljud, fortsätter att utvecklas in i den fjärde månaden, liksom den lilla varelsens förmåga att göra ansiktsuttryck.
Den femte månaden av prenatal hjärnutveckling börjar se att fostret faktiskt kontrollerar dessa uttryck och reaktioner. Vid denna tidpunkt är den fysiska utvecklingen sådan att fostret kan sträcka sig och till och med vända i livmodern. Experter tror att förmågan att medvetet reagera på förnimmelser blir ännu starkare under den sjätte månaden, när hjärnbarken delar sig i separata lober. Fostret vid denna tidpunkt kan till och med ha förmågan att komma ihåg.
De sista stadierna av prenatal hjärnutveckling under den sista trimestern leder till en hjärna som blir nästan lik en fullbildad människas, åtminstone till sin struktur. Vid sjunde månaden utvecklar den prenatala hjärnan det räfflade, böjda utseendet som är förknippat med den vuxna hjärnan, och myelin utvecklas på utsidan av nerverna från hjärnan för att isolera dem. Hjärnvågor kan upptäckas. Sedan i månad åtta bildas de stora cortexerna, såsom den auditiva och den visuella, vilket gör att fostret kan förstå vad han eller hon ser och hör. Fostrets hjärna innehåller ungefär lika många neuronceller som en vuxen hjärna den sista månaden, även om den bara kommer att vara en fjärdedel av storleken på en vuxen vid födseln.