神经反应是神经系统处理信息并产生动作的核心能力，其基础单元是神经元——一种专门负责电信号传导的细胞。成年人脑内约有860亿个神经元，它们通过突触连接形成复杂网络，构成反应速度的物质基础。
当外界刺激（如光线、声音）被感官捕捉后，会转化为电信号（动作电位），沿神经元轴突传递。这种信号传导速度可达120米/秒，相当于高铁行驶速度的三分之一，但不同类型神经元传导效率差异显著：有髓鞘包裹的神经元速度远快于无髓鞘神经元。
突触传递是反应过程的关键环节：电信号到达突触前膜后，会促使神经递质（如谷氨酸、多巴胺）释放，通过突触间隙扩散并作用于下一个神经元的受体，完成信号"接力"。这一化学传递过程约耗时0.5-2毫秒，是神经反应中可测量的最小时间单位。
简单反应（如对单一刺激的应答）仅需激活3-5个神经元链，而复杂反应（如区分颜色后选择动作）则需调动成百上千个神经元协同工作，这也是不同测试类型反应时间存在差异的核心原因。