Ein neuronaler Pfad verbindet Regionen innerhalb des Gehirns miteinander oder übermittelt Informationen vom peripheren Nervensystem an das Gehirn. Zwei Hauptklassen von neuralen Bahnen leiten Empfindungen an das Gehirn weiter oder leiten Bewegungssignale von diesem an den Körper weiter. Beide bestehen aus langen, isolierten Nervenfasern, die elektrisch oder durch einen chemischen Neurotransmitter kommunizieren. Spinale Reflexwege sind lokale Wege, die schnelle Reaktionen auf plötzliche Reize ohne Rückmeldung vom Gehirn ermöglichen.
Die langen Nervenaxone, die eine Nervenbahn bilden, werden aufgrund ihrer isolierenden Substanz Myelin als weiße Substanz bezeichnet. Diese Isolierung verbessert die elektrische Leitungsgeschwindigkeit über die Entfernungen, die Axone im Körper zurücklegen. Im Gehirn können lokale Verbindungen zwischen nicht myelinisierten neuronalen Zellkörpern, der sogenannten grauen Substanz, auftreten. Einige Nervenbahnen sind eigentlich unterschiedliche Fasern, die unterschiedliche Funktionen erfüllen, wie beim Corpus callosum, das viele Regionen der rechten und linken Hemisphäre des Gehirns verbindet.
Einige Reflexwege funktionieren ohne das Gehirn. Beim Knie-Ruck-Reflex verbindet sich ein sensorisches Neuron, das aus dem Knie kommt, mit einem Motoneuron im Rückenmark, was dazu führt, dass sich ein Muskel in einem Bein zusammenzieht und derselbe Muskel im gegenüberliegenden Bein entspannt. Der Prozess läuft schneller ab, als wenn er vom Gehirn vermittelt würde. Komplexere Nervenbahnen sind nicht wirklich reflexiv, sondern erhalten Feedback von den höheren Regionen des Gehirns, wie der Großhirnrinde. Dies verlangsamt die Geschwindigkeit, mit der Signale sie durchlaufen.
Eine sensorische Nervenbahn leitet die Empfindung vom Körper an das Gehirn weiter, während motorische Bahnen Anweisungen vom Gehirn an die Muskeln übertragen, die die willkürliche Bewegung steuern. Eine motorische Nervenbahn ist die kortikospinale oder pyramidale Bahn. Der Pyramidentrakt verläuft von der motorischen Region des Kortex zum Rückenmark und kreuzt sich dann in zwei separate Bahnen, die jeweils die Bewegung auf einer Körperhälfte steuern. Der kortikobulbäre Trakt moderiert die willkürliche Bewegung der Gesichtsmuskeln und verläuft vom Kortex zu den Hirnstammkernen, die die Hirnnerven des Gesichts steuern. Die Bahn des Fasciculus arcuatus verbindet die Neuronen, die die Spracherkennung verarbeiten, mit denen, die zur stimmlichen Nachahmung von Klängen benötigt werden.
Im Gehirn funktionieren einige Wege durch einen spezifischen chemischen Botenstoff, der als Neurotransmitter bezeichnet wird. Zum Beispiel wird Dopamin auf vielen Wegen verwendet, um neben vielen anderen Funktionen Motivation, Belohnung und feinmotorische Kontrolle zu bewirken. Dopamin ist der Neurotransmitter der mesokortikalen Nervenbahn, der das Belohnungsverhalten vom Mittelhirn bis zu den Frontallappen der Großhirnrinde moduliert. Da der auf Dopamin basierende nigrostriatale Weg feine Bewegungen unterstützt, ist er häufig bei Bewegungsstörungen wie der Parkinson-Krankheit erkrankt.