Uma convulsão ocorre quando uma parte do cérebro fica excessivamente excitada ou quando os nervos do cérebro começam a disparar juntos de forma anormal. A atividade convulsiva pode surgir em áreas do cérebro malformadas por defeitos congênitos ou distúrbios genéticos ou interrompidas por infecção, lesões, tumores, derrames ou oxigenação inadequada. A fisiopatologia das convulsões resulta de um desequilíbrio abrupto entre as forças que excitam e inibem as células nervosas, de modo que as forças excitatórias têm precedência. Esse sinal elétrico então se espalha para as células cerebrais normais circundantes, que começam a disparar em conjunto com as células anormais. Com convulsões prolongadas ou recorrentes durante um curto período, o risco de convulsões futuras aumenta à medida que ocorre a morte das células nervosas, a formação de tecido cicatricial e o surgimento de novos axônios.
As células nervosas entre as descargas normalmente têm uma carga negativa internamente devido ao bombeamento ativo de íons de sódio carregados positivamente para fora da célula. A descarga ou disparo da célula nervosa envolve uma flutuação repentina da carga negativa para uma carga positiva à medida que os canais de íons para a célula se abrem e íons positivos, como sódio, potássio e cálcio, fluem para a célula. Ambos os mecanismos de controle excitatório e inibitório atuam para permitir o disparo apropriado e prevenir a excitação inadequada da célula. A fisiopatologia das convulsões pode ocorrer devido ao aumento da excitação da célula nervosa, diminuição da inibição da célula nervosa ou uma combinação de ambas as influências.
Normalmente, após o disparo de uma célula nervosa, as influências inibitórias impedem um segundo disparo do neurônio até que a carga interna do neurônio retorne ao seu estado de repouso. O ácido gama-amino-butírico (GABA) é o principal inibidor químico do cérebro. O GABA abre canais para que íons de cloreto com carga negativa cheguem ao neurônio excitado, o que diminui a carga interna e impede um segundo disparo da célula nervosa. A maioria dos medicamentos anticonvulsivantes reduz a fisiopatologia das convulsões, aumentando a frequência das aberturas dos canais de cloreto ou aumentando a duração da abertura dos canais. Quando há uma ruptura nas células que emitem o GABA ou nos locais receptores do GABA, ocorre uma falha dos canais de cloreto em abrir e moderar a excitabilidade da célula nervosa.
Igualmente significativos para a fisiopatologia das convulsões são os mecanismos que levam ao aumento da excitação dos neurônios. O glutamato é o principal mediador químico excitatório no cérebro, que se liga a receptores que abrem canais para o sódio, potássio e cálcio na célula. Algumas formas hereditárias de convulsão envolvem uma predileção por ativação excessivamente frequente ou sustentada de receptores de glutamato, aumentando a excitabilidade do cérebro e a perspectiva de atividade convulsiva. Além disso, a propagação contígua da atividade elétrica ao longo de partes em camadas do cérebro pode ocorrer de célula para célula, uma forma não química de propagação que não está sujeita à regulação por mecanismos inibitórios.
Os tratamentos para a fisiopatologia das crises visam não apenas as anormalidades moleculares que envolvem os canais iônicos nas células nervosas, mas também a propagação não química da excitação no cérebro. Os benzodiazepínicos, como o Valium, e os barbitúricos, como o fenobarbital, agem para abrir os canais inibitórios de cloro. A fenitoína ou dilantina evita o disparo repetitivo dos neurônios, fechando os canais de sódio para as células nervosas. Em situações com convulsões recorrentes mal administradas, o halotano pode prevenir a transmissão não química dos impulsos nervosos. Além disso, a insulina e os esteróides alteram a função dos receptores de glutamato, suprimindo a excitabilidade do cérebro.