自律神經系統 (Autonomic nerve system, ANS) 是由交感神經與副交感神經分區所構成，其利用兩個運動神經元和一個神經節來傳遞動作電位，第一個神經元細胞本體位於中樞神經系統 (Central nervous system, CNS) 內，具有節前 (Preganglionic) 軸突纖維，第二個神經元的細胞本體則位於神經節內，具有節後 (Postganglionic) 軸突纖維。大部分交感分區 (Sympathetic division) 的節前纖維起始自脊髓的中或胸腰段，約立即終止在鄰近脊髓的神經節內，因此交感分區的節前纖維很短，節後纖維很長，在緊急狀況下，交感分區會活化，其節後軸突產生的神經傳導物質為正腎上腺素 (Adrenaline)，透過一連串的機制使心跳加速，支氣管擴張，加速葡萄糖和氧氣持續供應肌肉，以應付緊急狀況。

副交感分區 (Parasympathetic division)，包括數條腦神經 (如迷走神經) 及起源自脊髓薦段的薦神經，其節前纖維較長，節後纖維則較短，因為神經節在反應器內。副交感分區產生的神經傳導物質為乙醯膽鹼 (Acetylcholine, Ach)，會促進我們在放鬆時所有內在反應，減緩心跳。圖1呈現交感神經與副交感神經的構造與功能。

心臟及許多腺體和血管平滑肌都接受來自交感及副交感神經纖維的投射，即雙重投射 (Dual innervations)，其中一分支對作用器的作用,另一分支通常有相反作用，即互相拮抗，當一分支的活性增加，另一分支就降低，提供對作用器更細微的控制、協調及調節身體系統的功能以維持恆定。

人類的心率會因為個體的特性，如：生理健康狀況、心理壓力、或規律的運動而不同，在沒有其他因素影響下，心率會因為心肌的極化與負極化而產生110～120次/分的搏動，人體在正常情況下是無法承受如此快的心率，因此透過自律神經的調控，一般人維持在60～100次/分的搏動。自律神經系統中的副交感神經，藉由迷走神經系統釋放乙醯膽鹼，使心率變慢；而交感神經釋放腎上腺素及正腎上腺素而使心率變快。臨床研究發現，使用心率調節器的患者心率變異度完全消失，代表心率完全脫離了自律神經系統與體液的調節。下表為自律神經對心臟各部位之影響。