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O Mycoplasma pneumoniae é um patógeno comum de infecções respiratórias na faixa etária pediátrica, podendo acometer o sistema nervoso central (SNC) em casos raros, apresentando manifestações como encefalite e meningoencefalite. Este relato descreve o caso de uma lactente de 11 meses, previamente hígida, que se apresentou com quadro clínico de febre, vômitos e diarreia. Posteriormente, evoluiu com sinais neurológicos graves, como sonolência, fraqueza muscular e perda dos marcos de desenvolvimento. Três semanas antes, a criança teve sintomas respiratórios sugestivos de infecção viral. A análise do liquor (LCR) mostrou pleocitose linfocitária e aumento de proteínas. A ressonância nuclear magnética do crânio evidenciou preenchimento dos sulcos corticais, associado a espessamento e realce paquimeníngeo e leptomeníngeo difuso, compatível com meningite. O diagnóstico é confirmado por exames sorológicos, com a detecção de anticorpos IgM contra M. pneumoniae. O diagnóstico da meningoencefalite por M. pneumoniae é desafiador e muitas vezes difícil, uma vez que a doença pode se apresentar de forma inespecífica. Este caso enfatiza a importância de considerar M. pneumoniae como causa de complicações neurológicas em crianças com histórico de infecção respiratória.