Une voie neuronale relie les régions du cerveau les unes aux autres ou transmet des informations du système nerveux périphérique au cerveau. Deux grandes classes de voies neuronales transmettent la sensation au cerveau ou transmettent des signaux de mouvement au corps. Ils sont tous deux constitués de longues fibres nerveuses isolées qui communiquent électriquement ou par un neurotransmetteur chimique. Les voies réflexes rachidiennes sont des voies locales qui fournissent des réponses rapides à des stimuli soudains sans rétroaction du cerveau.
Les longs axones nerveux qui composent une voie neurale sont appelés substance blanche en raison de leur substance isolante, la myéline. Cette isolation améliore la vitesse de conduction électrique sur les distances parcourues par les axones dans le corps. Dans le cerveau, des connexions locales peuvent se produire entre des corps cellulaires neuronaux non myélinisés, appelés matière grise. Certaines voies neuronales sont en fait des fibres distinctes qui remplissent différentes fonctions, comme le corps calleux, qui relie de nombreuses régions des hémisphères droit et gauche du cerveau.
Certaines voies réflexes fonctionnent sans le cerveau. Dans le réflexe rotulien, un neurone sensoriel provenant du genou se synapse avec un motoneurone dans la moelle épinière, ce qui provoque la contraction d’un muscle dans une jambe et le relâchement du même muscle dans la jambe opposée. Le processus se déroule plus rapidement que s’il était médié par le cerveau. Les voies neuronales plus complexes ne sont pas vraiment réflexives, mais reçoivent plutôt un retour des régions supérieures du cerveau, comme le cortex cérébral. Cela ralentit la vitesse à laquelle les signaux les traversent.
Une voie neuronale sensorielle transmet les sensations du corps au cerveau, tandis que les voies motrices transmettent des instructions du cerveau aux muscles qui contrôlent les mouvements volontaires. Une voie neurale motrice est le tractus corticospinal ou pyramidal. Allant de la région motrice du cortex à la moelle épinière, le tractus pyramidal se croise ensuite en deux voies distinctes qui contrôlent chacune les mouvements sur la moitié du corps. Le tractus corticobulbaire modère le mouvement volontaire des muscles faciaux et va du cortex aux noyaux du tronc cérébral qui contrôlent les nerfs crâniens du visage. La voie du faisceau arqué relie les neurones qui traitent la reconnaissance vocale à ceux nécessaires pour imiter les sons vocalement.
Dans le cerveau, certaines voies fonctionnent par l’intermédiaire d’un messager chimique spécifique, appelé neurotransmetteur. Par exemple, la dopamine est utilisée dans de nombreuses voies pour effectuer la motivation, la récompense et le contrôle de la motricité fine, parmi de nombreuses autres fonctions. La dopamine est le neurotransmetteur de la voie neuronale mésocorticale qui module le comportement de récompense du mésencéphale aux lobes frontaux du cortex cérébral. Étant donné que la voie nigro-striée à base de dopamine aide les mouvements fins, elle est fréquemment atteinte dans les troubles du mouvement tels que la maladie de Parkinson.