脑是一个对缺氧最敏感的器官，它的活动主要依靠葡萄糖有氧氧化提供能量，因此一旦缺血时间较长即可引起严重的不可逆性损伤。脑缺血时生物电发生改变，出现病理性慢波，缺血一定时间后再灌注，慢波持续并加重。

脑缺血后短时间内ATP，CP、葡萄糖、糖原等均减少，乳酸明显增加。环腺苷酸（cAMP）在缺血（结扎砂鼠两侧颈总动脉）30分钟时增加2.2倍，环鸟苷酸（cGMP）则减少53％。恢复血流15分钟后cAMP进一步增加，为缺血前的21倍，cGMP进一步下降21％。这一情况提示缺血及再灌注时过氧化反应增强，因而cAMP上升导致磷脂酶激活，使磷脂降解，游离脂肪酸增多，缺血后血流再灌注时，自由基产生增加，与游离脂肪酸作用而使过氧化脂质生成增多，能引起细胞和组织的损伤。

脑又是一个特别富有磷脂的器官。因此缺血后游离脂肪酸的增加尤为明显。实验证明大鼠断头1分钟后脑内游离脂肪酸含量增加2倍以上，随缺血时间延长持续增加，增加最显著的是花生四烯酸（arachidonicacid）及硬脂酸（18烷酸，stearic acid）。再灌注后游离脂肪酸的增加更为显著，恢复血流90分钟，反而有更多的游离脂肪酸贮留。血流重新恢复时游离脂肪酸的增加，是由于来源于游离脂肪酸的过氧化物进一步损伤膜的同时，由cAMP介导膜磷脂继续降解的结果（cAMP激活磷脂酶）。

缺血时脑的最明显的组织学变化为脑水肿及脑细胞坏死，两者往往又互为因果关系。特别是脑水肿，是各种脑血管意外的常见病理过程。Chan及Fishman等将大脑切片浸于含各种脂肪酸的溶液中，以观察组织肿胀的情况，发现只有在多价不饱和脂肪酸存在下，才能引起水肿，这是因为脂肪酸容易过氧化而引起细胞膜损伤。用砂鼠做实验制备不完全缺血模型，证明缺血及再灌注过程中脑含水量持续增加，缺血时水肿的产生是膜脂降解，游离脂肪酸增加的结果，而过氧化是再灌注后水肿持续加重的原因之一，因为细胞膜脂质过氧化使膜结构破坏。