頭髮根部的毛球細胞並不含黑色素，但毛球上方的細胞由毛母質推移而來，其絲狀分裂很少且含有色素。毛乳頭頂面鄰接毛球之處有許多大細胞，是隨毛胚由表皮來的樹枝狀色素細胞，起樹狀突起分散伸出到毛皮質、髓質的未分化細胞之間，產生的黑色素順著突起移交給所到達的細胞，使皮質、髓質都有了色素。
人的頭髮以皮質為主，內貫少許髓質，故毛髮黑色的深淺主要決定於皮質中黑色素的量以及細胞內外存在的氣泡。皮質中黑色素越多，細胞之間氣泡越少，頭髮顏色就越黑；反之，黑色素量少、氣泡多，由於空泡產生光的反射，使毛髮的顏色變淡以至成白髮。
科學研究已證實，頭髮的顏色同頭髮組織中所含金屬元素量也有一定的關係。含有等量的銅、鐵和黑色素的頭髮呈黑色。含鎳量過多的頭髮變灰白色；含鈦量大的頭髮呈金黃色；含鉬多的頭髮呈赤褐色；含銅和鈷多的頭髮呈紅棕色；含銅過多的頭髮呈綠色；含有過多的鐵或嚴重缺乏蛋白質的頭髮呈紅色。可見，頭髮的顏色除與種族遺傳因素有關外，還與人體素質及飲食營養有密切關係。
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