大腦中神經細胞的持續活動需要持續不斷的化學能量供應。神經細胞，也稱為神經元，透過在一系列漫長的反應中分解葡萄糖來獲得這種能量。大部分能量來自最後幾個需要氧氣的反應。大腦透過血液獲得葡萄糖和氧氣，血液由心臟透過頸部的動脈泵送到大腦。（可以透過將手指輕輕按壓在頸部一側來感覺到其中一條動脈，頸動脈的血液脈搏）。動脈在大腦處分支，將血液輸送到大腦的各處。
如果大腦細胞的氧氣供應不足，神經元就無法完全分解葡萄糖。結果，它們無法獲得足夠的能量來活動；此外，葡萄糖的部分分解還會產生有害的廢物。這些情況不僅會阻止神經細胞正常工作，還會損傷甚至殺死它們。當血流恢復（再灌注損傷）並形成自由基時，可能會發生進一步的損傷。無論哪種方式，這種損傷都會導致大腦功能障礙，從而表現為中風的體徵和症狀。
中風也稱為腦血管意外（CVA），因為它們是由心臟或血管的異常引起的，這些異常會導致大腦區域的血流減少或大腦內部出血。前者稱為缺血性中風，後者稱為出血性中風。中風的分類基於體徵和症狀出現的時間，其差異很大，具體取決於大腦受損的部位和嚴重程度。在24小時內出現體徵和症狀的缺血性中風稱為短暫性腦缺血發作（TIA）。TIA通常會再次發生，因為流向同一大腦區域的血流減少，並且最終可能會發生更嚴重的中風。在可逆性缺血性神經功能缺損（RIND）中，體徵和症狀消退得更慢。在進行性中風中，體徵和症狀逐漸出現並隨著時間的推移而惡化。如果體徵和症狀發展迅速，並且隨著時間的推移幾乎沒有或沒有改善，則說明已經發生了完全性中風。
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大多數中風是由大腦內部或從心臟到大腦的動脈中的動脈粥樣硬化引起的。動脈粥樣硬化導致缺血性中風，它使動脈變窄、粗糙、僵硬和脆弱。狹窄直接減少血流。粗糙會導致血栓形成（血栓），從而部分或完全阻塞血管，從而減少血流。僵硬會阻止動脈在當大腦區域變得更加活躍並需要更多氧氣或當血壓下降時擴張，從而導致血流不足。動脈的脆弱會導致血流減少，如果脆弱區域向外膨脹，形成動脈瘤。儘管動脈瘤區域最初比正常區域寬，但動脈瘤中漩渦式的血液會凝結。隨著血栓擴大，它會部分或完全阻塞透過動脈的血流。動脈中的血栓可能會從血管壁上脫落（栓塞）——在這種情況下，流動的血液會將其推入較小的動脈，從而完全阻塞血流。由動脈粥樣硬化斑塊形成的栓子也可能阻塞動脈。
心臟內部動脈（冠狀動脈）中的動脈粥樣硬化也可能透過首先減少流向心肌的血液來導致缺血性中風。隨著心臟變得虛弱，流向大腦的血液減少。如果心臟病發作發生在心臟內表面附近，則可能會在心臟內部造成粗糙點並形成血栓（壁血栓）。因動脈粥樣硬化而虛弱的心臟也可能向外膨脹（心室動脈瘤），從而導致血栓形成。在任何一種情況下，來自心臟的血栓都可能栓塞到通往或穿過大腦的動脈中。當栓子阻塞動脈時，隨後會出現缺血。有時會出現許多栓子，導致多次中風。
當動脈粥樣硬化削弱大腦中的動脈時，動脈可能會破裂，導致大腦內部出血。大腦動脈的先天性缺陷也可能導致出血性中風。這些型別的中風可能以多種方式發生。動脈將血液輸送到的區域立即變得缺血。同時，從動脈噴出的血液會直接損害神經細胞。事實上，從垂死的紅細胞中洩漏的血紅蛋白會損傷並殺死神經元。這種損傷的一部分來自血紅蛋白中鐵的存在下形成的自由基。
隨著血腫（血腫）增大，是周圍神經元上的壓力損傷並殺死了它們。此外，增大的血腫可能會將大腦推向頭骨的一側。當大腦在頭骨粗糙的底部移動時，會對大腦細胞以及附著在大腦上的神經和血管造成更多損傷。由於頭骨是一個剛性容器，血腫的進一步增大會導致整個頭骨的壓力增加，從而導致更多神經元損傷和死亡。受傷區域會發生炎症，導致大腦腫脹、顱內壓進一步升高，以及更多神經元損傷和死亡。隨著顱內壓升高，大腦血管會受到壓迫，導致整個大腦的缺血加劇。如果顱內壓足夠大，大腦的某些部分可能會透過頭骨開口向外擠出，例如頭骨底部的枕骨大孔。
來自愛荷華大學神經學教授哈羅德·亞當斯關於中風病因的更多資訊
中風一詞涵蓋了大腦的多種血管疾病。大約 20% 的中風被稱為出血，在此期間，血管破裂，出血發生在腦內或腦周圍。出血的主要原因是高血壓、出血性疾病（出血傾向）和血管異常，包括水泡（動脈瘤）或血管纏結（血管畸形）。
其餘 80% 的中風是由於梗塞造成的。在這種情況下，血管被阻塞，血液無法到達大腦的某個區域。由於缺乏氧氣和其他重要營養物質，大腦中沒有獲得足夠血液的區域會死亡。腦梗塞與心臟梗塞或心臟病發作非常相似。腦梗塞最常見的原因是動脈硬化（動脈粥樣硬化）。然而，許多其他情況——包括產生移動到大腦的血栓（栓塞）的心臟疾病、其他血管疾病和促進凝血的血液疾病——也可能導致腦梗塞。
中風期間身體會發生什麼？大腦是有史以來最複雜的計算機。正如計算機可能會因為晶片或電路故障而丟失其部分程式一樣，大腦也可能會因中風引起的損傷而失去功能。由於大腦控制著構成神經系統的電子迴路，因此對它的損害會帶來諸如語言喪失、癱瘓、視力喪失、平衡不良和感覺喪失等問題。臨床發現差異很大，具體取決於中風造成的大腦損傷的位置和程度。非常嚴重的中風甚至可能導致意識喪失。正如中風這個名稱所暗示的那樣，該事件通常突然發生。患者可能真的會突然倒下。