神经系统具有复杂的调节神经兴奋和抑制过程的结构，通过信息的反馈或周期性活动，使任何一组神经元的放电频率相对平衡，从而来维持神经细胞膜的电位相对稳定。一个正常的大脑皮质锥体细胞的放电频率，一般保持在1～10Hz之间，而在癫痫发作时神经元的放电频率可达数百乃至上千赫兹，这种高频率放电的产生原因是什么，近年来进行了大量的研究，认为痫性活动的产生与诸多因素有关，如结构、电位、生化和免疫改变等。
1．结构改变
不论癫痫发作原因如何，当大脑皮质作为痫性放电源时，就会发生多种细胞学改变，如星形胶质细胞增生，形成异常胶质细胞而发生功能异常；神经元坏死、缺失，邻近部位呈现神经元群结构紊乱；血供障碍，受损神经元的树突缩短，其分支和棘突减少，电镜下可见细胞体和树突上的对称型突触也减少，这种突触来自GABA能(即抑制性)神经细胞。
(1)星形胶质细胞功能异常 正常星形胶质细胞的功能包括：①糖及各种代谢前体物质从毛细血管到神经元的转运：②具有各种氨基酸转运体并参与代谢；③参与调节细胞外液的离子浓度。星形胶质细胞与癫痫的发生可能有很大关系，胶质细胞增生是部分性癫痫时常见的病理改变。在癫痫患者大脑皮层癫痫灶内可观察到一种反应性的特殊星形胶质细胞，将这些异常胶质细胞称为活化性星形胶质细胞(AA)，它的特点是所含的某些脱氢酶(谷氨酸脱氢酶、葡萄糖-6-磷酸脱氢酶，LDH的同功酶)的活性较正常明显升高，而且凡能引起癫痫的病灶均有AA，而在非癫痫性活化性标本中，则找不到这种细胞，可见AA与癫痫的发生密切相关。
(2)神经元及神经末梢缺失神经元的坏死、缺失为癫痫灶的另一显著特点，尤其是选择性的抑制性中间神经元缺失，虽然在脑创伤、脑脓肿时为非特异性和非选择性改变，但在脑缺血、缺氧状态时却是特异的选择性改变。选择性抑制性神经末梢缺失是缺氧的继发性改变，动物实验证明在发生缺氧的幼年动物大脑中，运动中枢绝大部分的变性末梢是高选择性的抑制性中间神经元对称型神经末梢。这些发现可以用来解释婴儿在发生缺氧时癫痫的发病率明显增高；选择性GABA能(即抑制性)中间神经元神经末梢缺失，受损神经元的树突缩短，其分支和棘突减少，电镜下见细胞体和树突上的对称型突触也减少，这种突触主要来自GABA能神经细胞，而棘突为正常时接受抑制性突触的部位。
(3)中间带的神经元群结构紊乱
癫痫灶的结构是自中心向周围逐步过渡的由重到轻的病理改变。神经系统的过度兴奋状态与癫痫病灶及其周围区域的病理特点有关。典型的皮层癫痫灶具有中心区、中间带及周围的正常区域，而环形的中间带是引起癫痫放电的区域，该区域神经元数目减少，且发生不同程度的变性，并有供血不足和代谢紊乱，所以这些具有过度兴奋性、不稳定性、部分性损伤的神经元是产生异常放电的主要原因。
2．生化改变
痫灶放电时，脑组织的生化改变非常明显，癫痫活动显著增加了大脑的代谢负担。巨大数量的神经元细胞膜发生快速反复的去极化，大大增加了大脑的能量消耗，脑对氧和葡萄糖的需要大大增高。在病灶中兴奋性神经递质谷氨酸含量升高，谷氨酸是GABA(丁―氨基丁酸)的前体，通过谷氨酸脱羧酶(GAD)，以VitB6为辅基，转为GABA。谷氨酸脱羧酶含量减少，从而影响GABA的合成。GABA为抑制性神经递质，只存在于中枢神经系统内，脑中分布较广，黑质及苍白球含量最高。动物实验证明，将GABA局部置于大脑皮质或注入颈动脉及脑室内能提高化学性癫痫阈值与听源性发作阈值，并发现强直-阵挛发作及复杂部分性发作患者脑脊液中GABA水平显著低于单纯部分性发作。在癫痫发作时脑内的神经肽可使神经和突触膜的功能改变，如膜上的受体变构、神经元内的酶系统活力的改变及钙浓度和基因调控失常。目前认为与癫痫有关的抑制性神经递质有DA、NE、5-HT、GABA、甘氨酸 等，兴奋性神经递质有乙酰胆碱、谷氨酸、天冬氨酸等，抑制性神经肽甲状腺素释放激素、ACTH等，兴奋性神经肽有生长抑素、ACTH释放促进因子、脑啡肽等。
电解质分布及转运的改变是各种原因所致的癫痫发病后的共同机制。发作时细胞外液钙离子减少，钙离子可以控制膜的稳定性和调节神经递质的释放。钙离子的减少破坏了细胞膜的稳定性，且使细胞外液钾离子和钙离子的比例失衡使惊厥阈值降低，且钙离子进入神经元后触发兴奋性递质的释放，可使神经元兴奋性增强，导致癫痫发作。痫性发作后，细胞外钾离子增加，阻挠了细胞内钾离子的外流，从而延长了去极化的时程。此外，细胞脱水或水分过多，都可以改变钠离子的通透性，使神经元兴奋性增强。微量元素如锌、铜、锂、锰等也可能通过递质的关系在癫痫发病中起一定作用。
3．电位改变
用微电极描记脑细胞内的电活动，发现在发作间期各种癫痫病灶的中央有一部分神经元，其膜电位活动显示异常，在每次动作电位发生以后，不是恢复平静而是持续去极化状态，即神经元的放电形式由单个动作电位转变为动作电位群的爆发，并且在爆发的头几个动作电位之后其复极过程趋缓，使神经元保持除极状态约100ms之久，此种现象称阵发性去极化飘移(Paroxysmaldepolarizameionshift，PDS)。PDS是致痫活动的主要现象，是神经元受到重复突触激动，特别是激动NMDA受体造成的，在特异性神经元中，钙离子内流激动非选择性内向电流并继之以电压依赖性钾离子电流，这些内外向电流引起爆发；加上抑制机制阻断而最终导致PDS产生，月前认为下列因素与PDS的产生有关：①PDS和神经活动爆发是钙离子依赖内向电流的表达，这种缓慢的转化活动符合钙离子进入细胞后的作用过程；②细胞内外离子浓度的变化，如降低钾电导、增加钙电导，可降低静息膜电位的稳定性；③γ-氨基丁酸(GABA)介导的抑制作用减弱，神经递质及其受体和突触传递的变化，抑制性突触后电位(1PSP)由于细胞内钙离子积聚而阻断。细胞内钙离子增加，削弱了由GABA引起的C1―电流从而致痫。PDS历时数十以至数百毫秒以后方转入超极化状态，所产生的超极化波就是抑制性突触后电位(1PSP)，起源于癫痫灶内的大群神经元所产生的长时期的爆发性单位放电，PDS使一些抑制性通路包括反馈性抑制性通路都被激活，痫灶中心在去极化波出现之后就出现一个时程的过度极化波。其外围组织包括对侧相应皮质也出现过度极化波。实验证明由发作间期向发作期转化的第一个征象是脑电图上的猝发性棘波的出现越来越频繁，在每个棘波之后都有一串后放电，后放电的时程逐渐变长，此时病灶内的IPSP波幅逐渐减低，时程缩短，直至完全消失。与此同时，去极化波的出现频率增加，在每个去极化波之后都有成串的去极化后电位，随着后者波幅的增多，痫波即由发作间期进入发作期，并通过突触联系和强直后易化作用造成外围和远处的神经元同步性密集放电。
4．免疫异常
经许多国内外学者的多年研究证实，部分癫痫患者的免疫功能异常，主要表现为体液免疫和细胞免疫异常。由于免疫功能异常，降低了惊厥阈值而致癫痫发作，也可能是由于免疫功能异常，造成脑内神经元的生化代谢改变，损害了脑的功能。另外由于免疫功能异常，使机体抵抗力下降易发生感染，从而提高了惊厥的发生率，因此癫痫在小儿期发生率高。
(1)体液免疫
①IgA、IgG、IgM降低 Sorrell等1971年报告有10％～20％的癫痫患者血清IgA含量低于正常，2％一5％的癫痫患者血清IgA缺乏。另有文献介绍，有家族史的癫痫患者20％～25％血清中IgA降低，而无家族史的癫痫患者血清中IgA不降低。还有人研究表明癫痫患者IgA、IgG、IgM、IgD平均含量均降低。何及第(1994年)对84例癫痫患者进行了脑脊液IgA、IgC；及β2―微球蛋白含量检测，其数值均低于正常对照组，发病年龄越小，含量越低。
②抗脑抗体 抗脑抗体为自身抗体，是针对脑组织抗原的自身抗体，脑组织由血脑屏障将其与机体免疫系统隔绝开来，但由于损伤或疾病等各种不同原因引起脑组织损伤，血脑屏障遭到破坏，
使原来封闭的脑组织面对机体免疫系统而成为异种抗原，从而启动免疫反应，产生相应的抗体，称为抗脑抗体。1988年，周盛年等测定101例癫痫患者血清中抗脑抗体的阳性率为54．5％，与其他
疾病组(神经、内科、献血员)对照有显著性差异，抗脑抗体作用于突触部位，封闭了抑制性传导受体，使神经冲动更易传递，于是发生异常的痫性放电。同时由于癫痫发作致使脑组织缺氧，使脑抗
原暴露并进入血液循环，进而又激发免疫系统产生抗脑抗体。
(2)细胞免疫
主要是T淋巴细胞的数量减少、反应性降低，而与血清IgA水平无关。在未服用抗癫痫药的患者中有21％一27％T淋巴细胞反应性降低。进一步对淋巴细胞亚群的研究表明，有50％癫痫患者存在淋巴细胞转化率和玫瑰花形成率减低的现象。
5，实验性痫灶
已知印防己素能拮抗GABA，青霉素能阻遏氯离子在神经膜上的通透性，局部施用均能引起致痫性发作，然而脑的内部结构因素同样重要，这些药物能使海马体的CA2区和CA3区发生痫性放电，而不影响CAl区，之后又发现少数CA2和CA3区的锥体细胞具有回返性兴奋纤维网络，一旦抑制减退即易引起发作。此外，河豚毒素能阻遏神经膜对钠离子的通透，它能防止动作电位而不能防止PDS，间接证实后者和钙离子流入有关。
6．点燃作用
即重复刺激所致的抑制性突触后电位的逐渐低落和后放电的产生。在人类，尚不能证实重复发作会引起更多的发作，但颞叶痫灶所导致的对侧病灶，则显然和其相关。