Glavobolje, zbunjenost i delirij, koje su neki od oboljelih od COVID-19 iskusili, mogli bi biti rezultat izravnog prodora koronavirusa u mozak, prema rezultatima istraživanja. Virus je sposoban umnožavati se unutar mozga i njegova prisutnost oduzima kisik obližnjim moždanim stanicama, no razmjeri pojave još nisu jasni. Stručnjaci smatraju kako nije posve neočekivano da virus SARS-CoV-2, koji izaziva COVID-19, može prijeći iz krvi u moždano tkivo i svladati tu fizičku prepreku čiji je zadatak zaustaviti prodiranje stranih tvari u mozak. To uspijeva, primjerice, virusu zika, što je dovelo do znatnih oštećenja mozga fetusa. Liječnici su do sada vjerovali da su neurološki učinci uočeni u polovine oboljelih od COVID-19 rezultat pretjeranog odgovora imunosnog sustava poznatog kao citokinska oluja, koja izaziva i upalu moždanog tkiva, a ne izravnog prodora virusa.Jedan od glavnih argumenata protiv teorije o sposobnosti virusa da izravno prodre u mozak bio je da mozgu nedostaje dovoljna razina proteina ACE2, na koji se koronavirus veže i kojeg ima u obilju u drugim organima, poput pluća.

Lumbalnom punkcijom hospitaliziranih bolesnika oboljelih od COVID-19 koji su imali simptome delirija i kojima se iz kralježničkog kanala uzimao iglom uzorak cerebrospinalne tekućine otkriveno je da postoje neutralizirajuća antitijela protiv virusa u toj tekućini, što je bio dodatni dokaz koji je podržao njihovu teoriju.

U zaraženim područjima nije bilo znakova da su prožeta stanicama imunosnog sustava poput T-stanica, koje pohrle na mjesta na kojima se pojave drugi virusi, poput zika virusa ili herpes virusa, kako bi ih uništili. To sugerira da možda pretjerani odgovor imunosnog sustava poznat kao citokinska oluja, koji je odgovoran za velik dio oštećenja pluća u oboljelih od COVIDa-19, možda nije glavni uzrok neuroloških simptoma u tih bolesnika. Jedna od hipoteza znanstvenika bila je da nos može biti ulazni put virusa do mozga, no autori istraživanja navode da se to mora potvrditi istraživanjima. Dodali su kako je potrebno provesti više obdukcija kako bi se utvrdili razmjeri moždanih oštećenja u umrlih od COVID-19.J.Kn.