Si riscontrano anomalie encefaliche alla risonanza magnetica, sia nella fase precoce che in quella tardiva della Lyme disease. Gli scans MRI eseguiti nei pazienti con neuroborreliosi possono evidenziare lesioni puntate della sostanza bianca nelle immagini pesate a T2, simili a quelle che si vedono in malattie demielinazzanti o in disordini infiammatori come la sclerosi multipla, il lupus eritematoso sistemico (LES), o in malattie cerebrovascolari. Sono anche stati associati alla malattia di Lyme cerebrale, alcuni casi di atrofia cerebrale e di neoplasie del tronco encefalico.