Neuroninis kelias jungia smegenų sritis vienas su kitu arba perduoda informaciją iš periferinės nervų sistemos į smegenis. Dvi pagrindinės nervų takų klasės perduoda jutimą į smegenis arba iš jų perduoda judėjimo signalus į kūną. Jie abu susideda iš ilgų, izoliuotų nervinių skaidulų, kurios susisiekia elektra arba cheminiu neurotransmiteriu. Stuburo refleksų keliai yra vietiniai takai, kurie greitai reaguoja į staigius dirgiklius be grįžtamojo ryšio iš smegenų.
Ilgieji nervų aksonai, turintys nervinį kelią, vadinami balta medžiaga dėl jų izoliacinės medžiagos mielino. Ši izoliacija pagerina elektros laidumo greitį per atstumą, kurį aksonai apima kūne. Smegenyse gali atsirasti vietinių jungčių tarp nemielinizuotų neuronų ląstelių kūnų, vadinamų pilkąja medžiaga. Kai kurie nerviniai takai iš tikrųjų yra skirtingos skaidulos, kurios atlieka skirtingas funkcijas, kaip ir corpus callosum, jungiantis daugelį dešiniojo ir kairiojo smegenų pusrutulių regionų.
Kai kurie refleksiniai keliai veikia be smegenų. Kelio trūkčiojimo reflekso atveju sensorinis neuronas, ateinantis iš kelio, sinapsuoja su nugaros smegenų motoriniu neuronu, dėl kurio vienos kojos raumuo susitraukia, o priešingoje kojoje atsipalaiduoja tas pats raumuo. Procesas vyksta greičiau, nei būtų tarpininkaujant smegenims. Sudėtingesni nerviniai keliai nėra tikrai refleksyvūs, bet gauna grįžtamąjį ryšį iš aukštesnių smegenų sričių, pavyzdžiui, smegenų žievės. Tai sulėtina signalų sklidimo per juos greitį.
Jutimo nervinis kelias perduoda jutimą iš kūno į smegenis, o motoriniai takai perduoda nurodymus iš smegenų į raumenis, kurie kontroliuoja savanorišką judėjimą. Vienas iš motorinių nervų takų yra kortikospinalinis arba piramidinis traktas. Eidamas nuo motorinės žievės srities iki nugaros smegenų, piramidinis traktas susikerta į du atskirus kelius, kurių kiekvienas kontroliuoja pusės kūno judesius. Kortikobulbarinis traktas reguliuoja valingą veido raumenų judėjimą ir eina nuo žievės iki smegenų kamieno branduolių, kurie kontroliuoja veido kaukolės nervus. Arkinis fasciculus kelias jungia neuronus, kurie apdoroja kalbos atpažinimą, su tais, kurie reikalingi garsams imituoti balsu.
Smegenyse kai kurie keliai veikia per specifinį cheminį pasiuntinį, vadinamą neurotransmiteriu. Pavyzdžiui, dopaminas, be daugelio kitų funkcijų, naudojamas įvairiais būdais, siekiant paveikti motyvaciją, atlygį ir smulkiosios motorikos valdymą. Dopaminas yra mezokortikinio nervinio kelio neurotransmiteris, moduliuojantis atlygio elgesį nuo vidurinių smegenų iki priekinių smegenų žievės skilčių. Kadangi dopamino pagrindu sukurtas nigrostrialinis kelias padeda atlikti smulkius judesius, jis dažnai serga judėjimo sutrikimais, tokiais kaip Parkinsono liga.