大脑中神经细胞的持续活动需要持续不断的化学能量供应。神经细胞，也称为神经元，通过在一系列漫长的反应中分解葡萄糖来获得这种能量。大部分能量来自最后几个需要氧气的反应。大脑通过血液获得葡萄糖和氧气，血液由心脏通过颈部的动脉泵送到大脑。（可以通过将手指轻轻按压在颈部一侧来感觉到其中一条动脉，颈动脉的血液脉搏）。动脉在大脑处分支，将血液输送到大脑的各处。
如果大脑细胞的氧气供应不足，神经元就无法完全分解葡萄糖。结果，它们无法获得足够的能量来活动；此外，葡萄糖的部分分解还会产生有害的废物。这些情况不仅会阻止神经细胞正常工作，还会损伤甚至杀死它们。当血流恢复（再灌注损伤）并形成自由基时，可能会发生进一步的损伤。无论哪种方式，这种损伤都会导致大脑功能障碍，从而表现为中风的体征和症状。
中风也称为脑血管意外（CVA），因为它们是由心脏或血管的异常引起的，这些异常会导致大脑区域的血流减少或大脑内部出血。前者称为缺血性中风，后者称为出血性中风。中风的分类基于体征和症状出现的时间，其差异很大，具体取决于大脑受损的部位和严重程度。在24小时内出现体征和症状的缺血性中风称为短暂性脑缺血发作（TIA）。TIA通常会再次发生，因为流向同一大脑区域的血流减少，并且最终可能会发生更严重的中风。在可逆性缺血性神经功能缺损（RIND）中，体征和症状消退得更慢。在进行性中风中，体征和症状逐渐出现并随着时间的推移而恶化。如果体征和症状发展迅速，并且随着时间的推移几乎没有或没有改善，则说明已经发生了完全性中风。
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大多数中风是由大脑内部或从心脏到大脑的动脉中的动脉粥样硬化引起的。动脉粥样硬化导致缺血性中风，它使动脉变窄、粗糙、僵硬和脆弱。狭窄直接减少血流。粗糙会导致血栓形成（血栓），从而部分或完全阻塞血管，从而减少血流。僵硬会阻止动脉在当大脑区域变得更加活跃并需要更多氧气或当血压下降时扩张，从而导致血流不足。动脉的脆弱会导致血流减少，如果脆弱区域向外膨胀，形成动脉瘤。尽管动脉瘤区域最初比正常区域宽，但动脉瘤中漩涡式的血液会凝结。随着血栓扩大，它会部分或完全阻塞通过动脉的血流。动脉中的血栓可能会从血管壁上脱落（栓塞）——在这种情况下，流动的血液会将其推入较小的动脉，从而完全阻塞血流。由动脉粥样硬化斑块形成的栓子也可能阻塞动脉。
心脏内部动脉（冠状动脉）中的动脉粥样硬化也可能通过首先减少流向心肌的血液来导致缺血性中风。随着心脏变得虚弱，流向大脑的血液减少。如果心脏病发作发生在心脏内表面附近，则可能会在心脏内部造成粗糙点并形成血栓（壁血栓）。因动脉粥样硬化而虚弱的心脏也可能向外膨胀（心室动脉瘤），从而导致血栓形成。在任何一种情况下，来自心脏的血栓都可能栓塞到通往或穿过大脑的动脉中。当栓子阻塞动脉时，随后会出现缺血。有时会出现许多栓子，导致多次中风。
当动脉粥样硬化削弱大脑中的动脉时，动脉可能会破裂，导致大脑内部出血。大脑动脉的先天性缺陷也可能导致出血性中风。这些类型的中风可能以多种方式发生。动脉将血液输送到的区域立即变得缺血。同时，从动脉喷出的血液会直接损害神经细胞。事实上，从垂死的红细胞中泄漏的血红蛋白会损伤并杀死神经元。这种损伤的一部分来自血红蛋白中铁的存在下形成的自由基。
随着血肿（血肿）增大，是周围神经元上的压力损伤并杀死了它们。此外，增大的血肿可能会将大脑推向头骨的一侧。当大脑在头骨粗糙的底部移动时，会对大脑细胞以及附着在大脑上的神经和血管造成更多损伤。由于头骨是一个刚性容器，血肿的进一步增大会导致整个头骨的压力增加，从而导致更多神经元损伤和死亡。受伤区域会发生炎症，导致大脑肿胀、颅内压进一步升高，以及更多神经元损伤和死亡。随着颅内压升高，大脑血管会受到压迫，导致整个大脑的缺血加剧。如果颅内压足够大，大脑的某些部分可能会通过头骨开口向外挤出，例如头骨底部的枕骨大孔。
来自爱荷华大学神经学教授哈罗德·亚当斯关于中风病因的更多信息
中风一词涵盖了大脑的多种血管疾病。大约 20% 的中风被称为出血，在此期间，血管破裂，出血发生在脑内或脑周围。出血的主要原因是高血压、出血性疾病（出血倾向）和血管异常，包括水泡（动脉瘤）或血管缠结（血管畸形）。
其余 80% 的中风是由于梗塞造成的。在这种情况下，血管被阻塞，血液无法到达大脑的某个区域。由于缺乏氧气和其他重要营养物质，大脑中没有获得足够血液的区域会死亡。脑梗塞与心脏梗塞或心脏病发作非常相似。脑梗塞最常见的原因是动脉硬化（动脉粥样硬化）。然而，许多其他情况——包括产生移动到大脑的血栓（栓塞）的心脏疾病、其他血管疾病和促进凝血的血液疾病——也可能导致脑梗塞。
中风期间身体会发生什么？大脑是有史以来最复杂的计算机。正如计算机可能会因为芯片或电路故障而丢失其部分程序一样，大脑也可能会因中风引起的损伤而失去功能。由于大脑控制着构成神经系统的电子回路，因此对它的损害会带来诸如语言丧失、瘫痪、视力丧失、平衡不良和感觉丧失等问题。临床发现差异很大，具体取决于中风造成的大脑损伤的位置和程度。非常严重的中风甚至可能导致意识丧失。正如中风这个名称所暗示的那样，该事件通常突然发生。患者可能真的会突然倒下。