1、自由基
腦組織內自由基，氧自由基是一類具有高度化學活性的含氧基團，主要由超氧陰離子和氫氧自由基。腦損傷時，氧自由基在腦內大量增加，腦出血、腦缺血再灌注時，自由基也大量增加，自由基使細胞膜系統損害，血腦屏障損害，引起腦水腫。
2、神經細胞鈣超載
近年來，一些研究提示神經細胞膜鈣超載的改變，神經細胞內鈣超載是引起腦水腫的先行重要因素。鈣是維持神經細胞正常功能的重要因素，在中樞神經細胞信息傳遞、神經遞質的合成與釋放和神經細胞軸漿運轉，血腦屏障的功能等方面具有極其重要的作用。
細胞膜鈣通道異常開放，則細胞外鈣離子進入細胞內，發生神經細胞內鈣超載，產生損害作用。鈣超載的不利影響很廣：可以激活ATP酶、蛋白酶、磷脂酶，使ATP、細胞蛋白質、脂質分解代謝增加，損害細胞骨架系統和膜系統，影響神經細胞內的快反應基因的表達和調控，影響細胞DNA，使細胞嚴重損害。
還可使腦血管痙攣和腦毛細胞血管通透性發生改變。因此鈣通道開放與神經細胞鈣超載已被視為引起腦水腫的關鍵環節之一。
3、血腦屏障機能障礙，血腦屏障對腦水腫的關系最大。血腦屏障為腦的毛細血管腔與腦實質之間的屏障，由腦毛細血管內皮細胞、基底膜及星形細胞的血管板層構成。血腦脊液屏障主要是脈絡叢上皮和內皮細胞之間的閉鎖小帶，腦脊液與腦實質之間也存在屏障，由腦室的室管膜上皮和覆蓋腦表面的軟膜膠質瘤膜組成。因此腦與血液間的物質交換必須通過這層血腦屏障。
