中毒性脑病的病因是：引起缺氧的毒物、选择性损害中枢神经系统的毒物、干扰神经元或神经递质作用的毒物、某些毒物主要作用于中枢神经系统的局部区域，导致特定区域的损害。
脑水肿常为急性中毒性脑病的主要病理改变，脑体积和重量增加;脑回变宽扁平，脑沟变浅而窄。一般白质水肿明显，脑室缩小，严重的脑水肿常有脑疝形成。中毒性脑病镜下见脑组织疏松，血管和细胞周围间隙增大，白质的病变较灰质明显;灰质主要为血管和神经元周围胶质成分肿胀(血管源性脑水肿)，或细胞肿胀明显而无血管和细胞周围间隙增宽，灰质和白质皆受累(细胞毒性脑水肿)。
神经元多呈缺血性变性，细胞固缩，尼氏小体消失，核深染，核内微细胞结构消失;或胞体肿大，核浓缩深染，细胞器尤其是线粒体和高尔基体涨大如泡状，甚至破裂。
中毒性脑病患者白质中呈不同程度的髓鞘脱失，细胞外间隙增大，积聚富有蛋白质的水肿液。星形胶质细胞胞体和周围神经元及毛细血管的突起肿胀，胞浆充满水分，并挤压毛细血管壁。
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