Grillner studierte Medizin an der Universität Göteborg (Kandidatentitel 1962) und wurde dort 1969 in Neurophysiologie promoviert (Titel der Dissertation: Supraspinal and segmental control of static and dynamic y-motoneurones in the cat). Danach war er bis 1975 Dozent in Göteborg. 1971 war er Gastwissenschaftler an der Sowjetischen Akademie der Wissenschaften in Moskau. Er ist seit 1975 Professor für Physiologie am Karolinska-Institut in Stockholm in der Abteilung Neurowissenschaften, der er 1993 bis 2000 vorstand. Seit 1987 ist Professor und Direktor des Nobelinstitut für Neurophysiologie des Karolinska-Instituts.
Er erforscht die zelluläre neuronale Basis der grundlegenden Motor-Programme, mit denen Tiere ausgestattet sind, z. B. um Fortbewegung zu erzeugen, für Haltung und Orientierung oder die Augenbewegung. Dabei wird die Rolle einzelner Nervenzellen untersucht (die oft mit individuell unterschiedlichen Ionenkanälen ausgestattet sind) und deren synaptische Verschaltung um daraus höhere Funktionseigenschaften der Nervennetzwerke zu erklären. Er benutzt vor allem das Neunauge als tierisches Modell, aber auch Säugetiere zum Beispiel bei der Untersuchung der Frage, wie die Abfolge der einzelnen elementaren Motorprogramme gesteuert wird. Im Neunaugen-Modell gelang ihm 1987 mit Kollegen die detaillierte Aufklärung der Motormechanismen für Bewegung, Haltung und Steuerung auf zellulärer Ebene. Später konnte er zeigen, dass grundlegende Elemente des Systems auch bei höheren Wirbeltieren in der Evolution erhalten blieben.
1987 bis 1997 war er Mitglied des Nobelkomitees für Physiologie und Medizin und 1995 bis 1997 Vorsitzender des Nobelkomitees. 1988 bis 2008 war er Mitglied der Nobel-Versammlung des Karolinska-Instituts und 2005 deren Vorsitzender.
2009 war er Präsident der Federation of European Neuroscience Societies.
Er ist seit 1963 verheiratet und hat zwei Kinder.
Schriften
Bücher:
Herausgeber mit Gordon M. Shepherd Handbook of Brain Microcircuits, Oxford University Press 2010
mit G.N. Orlovsky, T.G. Deliagina Neuronal control of locomotion: from mollusc to man, Oxford University Press 1999
Herausgeber mit Avis H. Cohen, Serge Rossignol Neural control of rhythmic movements in vertebrates, Wiley 1988
Herausgeber mit A. M. Graybiel Microcircuits: the interface between neurons and global brain functions (Dahlem Workshop), MIT Press 2006
Ausgewählte Aufsätze:
Neural networks for vertebrate locomotion, Scientific American, Januar 1996
mit M. Stephenson-Jones, E. Samuelsson, J. Ericsson, B. Robertson: Evolutionary conservation of the basal ganglia as a common vertebrate mechanism for action selection, Current Biology, Band 21, 2011, S. 1081–1091
mit A. Kozlog, M. Huss, A. Lansner, J. H. Kotaleski JH: Simple cellular and network control principles governs complex patterns of motor behavior, Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, Band 106, 2009, S. 20027–20032
Biological pattern generation: The cellular and computational logic of networks in motion, Neuron, Band 52, 2006, S. 751–766
mit J. Hellgren, A. Ménard, K. Saitoh, M. Wikström Mechanisms for selection of basic motor programs - roles for the striatum and pallidum, Trends in Neuroscience, Band 28, 2005, S. 364–370
The motor infrastructure: From ion channels to neuronal networks, Nature Reviews Neuroscience, Band 4, 2003, S. 573–586
mit T. Matsushima The neural network underlying locomotion in lamprey-synaptic and cellular mechanisms, Neuron, Band 7, 1991, S. 1–15.
Neurobiological bases of rhythmic motor acts in vertebrates, Science, Band 228, 1985, S. 143–149.
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