腦是一個對缺氧最敏感的器官，它的活動主要依靠葡萄糖有氧氧化提供能量，因此一旦缺血時間較長即可引起嚴重的不可逆性損傷。腦缺血時生物電發生改變，出現病理性慢波，缺血一定時間后再灌注，慢波持續并加重。

　　腦缺血后短時間內ATP，CP、葡萄糖、糖原等均減少，乳酸明顯增加。環腺苷酸（cAMP）在缺血（結扎砂鼠兩側頸總動脈）30分鐘時增加2.2倍，環鳥苷酸（cGMP）則減少53%.恢復血流15分鐘后cAMP進一步增加，為缺血前的21倍，cGMP進一步下降21%.這一情況提示缺血及再灌注時過氧化反應增強，因而cAMP上升導致磷脂酶激活，使磷脂降解，游離脂肪酸增多，缺血后血流再灌注時，自由基產生增加，與游離脂肪酸作用而使過氧化脂質生成增多，能引起細胞和組織的損傷。

　　腦又是一個特別富有磷脂的器官。因此缺血后游離脂肪酸的增加尤為明顯。實驗證明大鼠斷頭1分鐘后腦內游離脂肪酸含量增加2倍以上，隨缺血時間延長持續增加，增加最顯著的是花生四烯酸（arachidonicacid）及硬脂酸（18烷酸，stearic acid）。再灌注后游離脂肪酸的增加更為顯著，恢復血流90分鐘，反而有更多的游離脂肪酸貯留。血流重新恢復時游離脂肪酸的增加，是由于來源于游離脂肪酸的過氧化物進一步損傷膜的同時，由cAMP介導膜磷脂繼續降解的結果（cAMP激活磷脂酶）。

　　缺血時腦的最明顯的組織學變化為腦水腫及腦細胞壞死，兩者往往又互為因果關系。特別是腦水腫，是各種腦血管意外的常見病理過程。Chan及Fishman等將大腦切片浸于含各種脂肪酸的溶液中，以觀察組織腫脹的情況，發現只有在多價不飽和脂肪酸存在下，才能引起水腫，這是因為脂肪酸容易過氧化而引起細胞膜損傷。用砂鼠做實驗制備不完全缺血模型，證明缺血及再灌注過程中腦含水量持續增加，缺血時水腫的產生是膜脂降解，游離脂肪酸增加的結果，而過氧化是再灌注后水腫持續加重的原因之一，因為細胞膜脂質過氧化使膜結構破壞。