Szlak neuronowy łączy ze sobą regiony w mózgu lub przekazuje informacje z obwodowego układu nerwowego do mózgu. Dwie główne klasy ścieżek neuronowych przekazują odczucia do mózgu lub przenoszą z niego sygnały ruchu do ciała. Oba składają się z długich, izolowanych włókien nerwowych, które komunikują się elektrycznie lub za pomocą neuroprzekaźnika chemicznego. Ścieżki odruchów kręgosłupa to lokalne ścieżki, które zapewniają szybkie reakcje na nagłe bodźce bez sprzężenia zwrotnego z mózgu.
Aksony długich nerwów, które tworzą ścieżkę nerwową, nazywane są istotą białą ze względu na ich substancję izolacyjną, mielinę. Ta izolacja poprawia prędkość przewodzenia elektrycznego na dystansach pokonywanych przez aksony w ciele. W mózgu mogą wystąpić lokalne połączenia między niezmielinizowanymi ciałami komórek nerwowych, zwanymi materią szarą. Niektóre ścieżki nerwowe są w rzeczywistości odrębnymi włóknami, które pełnią różne funkcje, jak w przypadku ciała modzelowatego, które łączy wiele obszarów prawej i lewej półkuli mózgu.
Niektóre ścieżki odruchowe działają bez mózgu. W odruchu kolanowym neuron czuciowy wychodzący z synaps kolana łączy się z neuronem ruchowym w rdzeniu kręgowym, co powoduje kurczenie się mięśnia w jednej nodze i rozluźnienie tego samego mięśnia w nodze przeciwnej. Proces przebiega szybciej, niż gdyby pośredniczył w nim mózg. Bardziej złożone ścieżki neuronowe nie są tak naprawdę odruchowe, ale otrzymują informację zwrotną z wyższych obszarów mózgu, takich jak kora mózgowa. To spowalnia tempo przechodzenia przez nie sygnałów.
Sensoryczna ścieżka nerwowa przekazuje wrażenia z ciała do mózgu, podczas gdy ścieżki motoryczne przenoszą instrukcje z mózgu do mięśni, które kontrolują dowolny ruch. Jedną z dróg nerwowych ruchowych jest droga korowo-rdzeniowa lub piramidowa. Biegnąc od obszaru motorycznego kory do rdzenia kręgowego, droga piramidowa przechodzi następnie w dwie oddzielne ścieżki, z których każda kontroluje ruch połowy ciała. Przewód korowo-gałkowy łagodzi ruchy mięśni twarzy i biegnie od kory do jąder pnia mózgu, które kontrolują nerwy czaszkowe twarzy. Ścieżka pęczka łukowatego łączy neurony przetwarzające rozpoznawanie mowy z neuronami potrzebnymi do naśladowania dźwięków na głos.
W mózgu niektóre szlaki działają za pośrednictwem specyficznego przekaźnika chemicznego, zwanego neuroprzekaźnikiem. Na przykład dopamina jest stosowana w wielu ścieżkach, aby wpływać na motywację, nagrodę i kontrolę motoryczną, a także wiele innych funkcji. Dopamina jest neuroprzekaźnikiem mezokorowego szlaku nerwowego, który moduluje zachowanie nagrody od śródmózgowia do płatów czołowych kory mózgowej. Ponieważ szlak nigrostriatalny oparty na dopaminie wspomaga delikatne ruchy, często występuje w zaburzeniach ruchowych, takich jak choroba Parkinsona.