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病理生理学.偏头痛被认为是一种神经血管性疾病有证据表明，其致病机理是从大脑内部开始，然后传播到血管。有些研究人员认为神经元机能起着关键的作用，而其他研究人员则认为血管起着关键作用；亦有认为两者都很重要的。一般来说，神经递质血清素（5-羟色胺）的水平越高，越易引起偏头痛。
先兆.皮质扩布性抑制，或Leão扩散性抑制是指神经元活跃性突然增强，后又转为不活跃状态，这种情况常出现在有先兆的偏头痛中。这种情况有多种解释，包括NMDA受体的激活导致钙质进入细胞。细