头颈部的心血管系统包括为大脑和头部器官（包括口腔和眼睛）提供含氧血液的重要动脉，也包括将脱氧血液从这些器官回流至心脏的静脉。在这些血管中，有一些独特而重要的结构，它们的进化有助于维持流向大脑的连续血流。人脑如此强大且代谢活跃，它每天消耗了人体所摄入的全部氧气和葡萄糖的约20%。如果大脑的血流中断，很快就会导致认知功能下降、意识丧失，如果不加以纠正，最终可能导致死亡。
含氧血液通过四条主要动脉从躯干进入颈部：左椎动脉和右椎动脉，以及左颈总动脉和右颈总动脉。椎动脉穿过颈椎的横突孔，在枕骨大孔处进入颅骨，并在脑底部汇合形成基底动脉。基底动脉随后为脑后部结构提供血液，包括脑干、小脑和大脑。
左右颈总动脉在颈部各自分为左颈内动脉和右颈内动脉，以及左颈外动脉和右颈外动脉。颈内动脉通过左右颈动脉孔在脑下方进入颅骨。在脑底部，颈内动脉分支为左前脑动脉和右前脑动脉，以及左中脑动脉和右中脑动脉，为大脑的中部和前部区域供血。
在脑底部，几条交通动脉在左后脑动脉、右后脑动脉、左颈内动脉、右颈内动脉、左前脑动脉和右前脑动脉之间形成了吻合支或通道。这些动脉共同形成了一个被称为威利斯环的血管环。威利斯环确保了在其中一条主要动脉被堵塞的情况下，大脑仍能继续获得血液供应，因为它允许所有主要动脉之间的血流可以到达大脑的所有区域。
在颅骨外的颈部和头部，颈外动脉为皮肤、肌肉和器官提供血流。几条主要动脉——包括面动脉、浅颞动脉和枕动脉——从颈外动脉分支出来，为头部众多浅表结构供血。
三对主要静脉将头颈部组织的脱氧血液回流至心脏。左椎静脉和右椎静脉穿过颈椎的横突孔，引流脊髓、颈椎和颈部肌肉的血液。在头部，颅骨外表面的浅表结构由一对颈外静脉引流，这些静脉沿着颈部下行，位于椎静脉的外侧。最重要的是，大脑由位于脑膜硬脑膜层中的一组大腔隙引流，这些腔隙被称为硬脑膜静脉窦。这些静脉窦中收集的血液流入头颈部最大的静脉——左颈内静脉和右颈内静脉。颈内静脉收集来自大脑以及头颈部浅表结构的血液，然后沿着颈部下行流向心脏。
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