有關L-Arg → NO途徑在中樞神經系統(CNS)方面的研究認為，NO通過擴散，作用于相鄰的周圍神經元如突出前神經末梢和星狀膠質細胞，再激活GC從而提高水平cGMP水平而產生生理效應。如NO可誘導與學習、記憶有關的長時程增強效應(Long-term potentiation,LTP)，并在其LTP中起逆信使作用。

連續刺激小腦的上行纖維和平行纖維可引起平行纖維細胞的神經傳導產生長時程抑制(Long-term depression,LTD)，被認為是小腦運動學習體系中的一種機制，NO參與了該機制。[4]

在外周神經系統也存在L-Arg → NO途徑。NO被認為是非膽堿能、非腎上腺素能神經的遞質或介質，參與痛覺傳入與感覺傳遞過程。

NO在胃腸神經介導胃腸平滑肌松弛中起著重要的中介作用，在胃腸間神經叢中，NOS和血管活性腸肽共存并能引起非腎上腺素能非膽堿能(nonadrenergic-non-cholinerrgic,NANC)舒張，但血管活性腸肽的抗體只能部分消除NANC的舒張，其余的舒張反應則能被N-甲基精氨酸消除。