腦脊液主要是由脈絡叢分泌的，但其成分和血漿不腦脊液中蛋白質的含量極微，葡萄糖含量也較血漿為少，但Na 和Mg2 的濃度較血漿中的高，K 、HCO3-和Ca2 的濃度則較血漿中的低。可見，血液和腦脊液之間物質的轉運并不是被動的過程，而是主動轉運過程。另外，一些大分子物質較難從血液進入腦脊液，仿佛在血液和腦脊液之間存在著某種特殊的屏障，故稱之為血-腦脊液屏障（blood-cerebrospinal fluid barrier）。這種屏障對不同物質的通透性上不同的。例如O2、CO2等脂溶性物質可很容易地通過屏障，但許多離子的通透性則較低。血-腦脊液屏障的基礎是無孔的毛細血管壁和脈絡叢細胞中運輸各種物質的特殊載體系統。
血液和腦組織之間也存在著類似的屏障，可限制物質在血液和腦組織之間的自由交換，稱為血-腦屏障。脂溶性物質如O2、CO2、某些麻醉藥以及乙醇等，很容易通過血-腦屏障。對于不同的水溶性物質來說，其通透性并不一定和分子的大小相關。例如葡萄糖和氨基酸的通透性較高，而甘露醇、蔗糖和許多離P嬀通透性則很低，甚至不能通透。這說明腦內毛細血管處的物質交換和身體其它部分的毛細血管處是不同的，也是一種主動的轉運過程。用電子顯微鏡觀察，腦內大多數毛細血管表面都被星狀膠質細胞伸出的突起（血管周足）所包圍。因此推測，毛細血管的血液和神經元之間的物質交換可能都要通過膠質細胞作為中介。因此，毛細血管的內皮、基膜和星狀膠質細胞的血管周足等結構可能是血-腦屏障的形態學基礎。另外，毛細血管壁對各種物質特殊的通透性也和這種屏障作用有重要的關系。
血-腦脊液屏障和血-腦屏障的存在，對于保護腦組織周圍穩定的化學環境和防止血液中有害物質侵入腦內具有重要的生理意義。例如，腦脊液中K 的濃度較低，即使在實驗中使血漿K 濃度加倍，腦脊液中K 濃度仍能保持在正常水平。因此腦內神經元的興奮性不會因血漿中K 濃度的變化而發生明顯的變化。由于血-腦屏障的存在，循環血液中的乙酰膽堿、去甲腎上腺素、多巴胺、甘氨酸等物質就不易進入腦，否則，血漿中這些物質濃度的改變將會明顯地擾亂腦內神經元的政黨功能活動。
需要指出，腦的某些部分，如下丘腦第三腦室周圍和延髓后緣區等處的室周器官，血-腦屏障比較薄弱，毛細血管壁對許多物質的通透性高于腦的其它部分。因此循環血液中的有些物質，如血管緊張素Ⅱ和其它肽類物質，可以在這些部位進入腦內，作用于相應的受體，引起各種效應。另外，當腦組織發生缺氧、損傷等情況以及在腦腫瘤部位，毛細血管壁的通透性增加，故平時不易透過血-腦屏障的物質進入受損部位的腦組織。在臨床上可以用同位素標記的白蛋白注入體內，這些蛋白質進入正常腦組織的速度很慢，但較易進入腦腫瘤組織，因此可用這種方法勻來檢查腦瘤的部位。在用藥物治療神經系統疾病時，必須明確所用的藥物是否容易通過血-腦屏障。
在腦室系統，腦脊液和腦組織之間為室管所分隔；在腦的表面，腦脊液和腦組織之間為軟腦膜所分隔。室管膜和軟腦膜的通透性很高，腦脊液中的物質很容易通過室管膜或軟腦膜進入腦組織。因此，在臨床上可將不易通過血-腦屏障的藥物直接注入腦脊液，使之能較快地進入腦組織。