(一)发病原因
心脏直视手术引起神经系统损害的原因，难用单一因素解释，比较主要者依次有以下几种：
1.不适当的脑灌注 包括低灌注压和灌注时间较长。
(1)低灌注压损伤：Tufo等认为体外循环时的平均动脉压，其降低的水平和时间的长短与脑损害相关。在他观察的患者中，平均动脉压在60mmHg或以上时，脑损害的发生率为27%，在50～59mmHg时为45%，40～49mmHg时为55%，在40mmHg或以下时，则增高至78%。两相比较，低于40mmHg和在60mmHg以上，前者脑损害的发生率是后者的3倍。
有学者(Gonzalez-Scarano等，1981)在回顾大系列冠状动脉搭桥术后引起神经损害时。也认为平均动脉压宜维持在50mmHg以上为好。Branthwaite(1973)指出当体外循环开始时，动脉压突然下降，此时脑灌注由有搏动性的变成无搏动性的，使脑部自动调节发生障碍，并且难以代偿，以致影响脑功能。
从年龄因素来看，Tufo等发现年龄低于40岁，即使平均动脉搏压持续降低，脑损害的机会仍可保持较低;如果在40～50岁，平均动脉压又在40mmHg以下，则脑损害的发生率即可升高。他提出对于老年患者，动脉压宜保持在60mmHg。
(2)灌注时间长：与此相反，Sotaniemi(1980)认为灌注的平均动脉压，对脑损害的重要性小，而灌注时间长为脑损害的危险因素，并且认为与年龄因素也无关。根据Sotaniemi的统计，灌注时间在2h以下者，有19.5%患者发生脑损害，而在2h以上者，则升至51.9%，且在统计学上有显著差异。
Branthwaite(1972)的统计，发现灌注时间超过180min者，35.3%患者发生脑损害，在121～180min者，为29.2%，在90～120min者为15.1%，在61～90min者为21.0%，在31～60min者为8.1%，30min以下者为7.4%，所以认为灌注时间长，脑损害的可能性就随之增加。
另有文献报道，灌注时间超过2h，年龄又大，出现脑损害的机会也要增加。有统计资料显示，在50岁以下者，体外循环时间超过2h，则比小于2h者，其脑损害要多2～3倍。如果年龄在50以上，平均动脉压又在50mmHg以下则灌注时间越长，发生脑损害者也越多。
2.微栓塞形成 有报道认为脑损害是由于脑部微栓塞所致。
Branthwaite及Sotaniemi比较强调栓子来源于体外循环。脂肪栓塞则主要来自手术过程行胸骨切开术或因纵隔中的脂肪球进入心包腔而被吸入灌注系统所致。
3.术前有神经系统疾病 Sotaniemi发现术前患过脑血管意外或晕厥发作者尤易术后发生脑损害，而术前有短暂性脑缺血发作者并不易引起脑损害。在他报道的一组病例中，术前有脑血管意外及晕厥发作者各9例，术后各有6例发生脑损害;而术前有短暂性脑缺血发作的5例，术后只有2例发生脑损害。此外，术前有癫痫者3例，术后2例出现脑损害。术前神经障碍包括脑栓塞、动脉粥样硬化、癫痫、先天性基底核病变、急性缺血性脊髓损害以及既往在搭桥手术后发生过偏瘫者。但Tufo等的看法与此相反，认为脑损害的发生与术前有否神经疾病无关。
4.年龄 Javid等(1969)即指出随年龄增加，脑损害者也增多。Branthwaite的统计，在61～70岁者，38.5%发生脑损害，51～60岁者为32.6%，41～50岁者为19.2%，40岁以下者发生率更低。与此相反，根据Sotaniemi的统计，则脑损害的发生与年龄无关。
5.术中大量失血 术中大量失血与脑损害有关，而失血的多少和手术时间长短又有关联。在Sotaniemi的患者中，有10例术中失血超过2500ml，内中9例术后发生脑损害。
6.术中难以预料的意外及其他 如术中氧合器发生故障导致动脉氧压值下降等可致脑损害。冠状动脉搭桥术后心律失常或严重的稀释性贫血均可促进神经障碍的发生。至于主动脉瓣及二尖瓣膜钙化的程度等是否有关，均不肯定。
(二)发病机制
心内直视手术导致颅内大出血的患者，Humphreys等(1975)认为，与心肺机预充液中有高渗溶液，致使脑部皱缩，并引起交通静脉(桥静脉)受牵扯而破裂有关。此外出血还应考虑和手术时头部位置、应用抗凝剂肝素、上腔静脉或右心房压力升高、低温或动脉血气分析变化有关。
关于心脏移植引起神经系统损害，Sila(1989)曾做过分析，在发生脑血管意外的尸检组中，50%患者发现缺血缺氧性神经元损害、层性坏死及陈旧或新近的梗死。并认为缺血缺氧性改变和心肺机的平均动脉压低于50mmHg以及术后低灌注及循环衰竭有关。发生新近梗死者，占尸检患者的13%，则和急性心脏排异引起的心脏栓塞、术中主动脉弓血栓形成、脂肪栓塞以及脑血管粥样动脉硬化有关。脑内出血者罕见，如果发生，其机制或许是在脑部自动调节功能有障碍时，血压及脑血流突然增加导致较高的脑灌注有关。对于术后出现脑病和精神行为障碍者，可能和大脑缺氧缺血有关，此外，和多种代谢失常如肝、肾功能障碍也有关。发生抽搐的患者除和术后脑部较高的灌注压有关外，严重代谢障碍特别是和低镁血症有关。另因手术需要免疫抑制剂控制排异反应，故可导致CNS发生机会性感染引起多种真菌、病毒、弓形虫病及细菌性等病原体感染，但感染的高发期并不在术后的第1个月内，而是在术后的半年以内。
主要病理变化：大系列的报道有Aguilar等(1971)214例尸检资料的分析，内中31例(15%)为正常脑，其他脑部皆有病变。主要为：①脑部小血管栓塞;②急性脑内点状、血管周围或局灶性蛛网膜下隙出血;③急性广泛性缺血性神经元损害(称三联症)。脑部小血管栓子可由脂肪、纤维素血小板或晶状(lens)物质等所组成。出血为广泛散在及新鲜的，多位于大脑及蛛网膜下隙，出血发生的原因是由于缺血、缺氧及中毒代谢障碍所致。急性神经元变性常见于海马的Sommer氏段、枕叶距状皮质、苍白球的内部(pallidum)，偶见于大脑皮质的狭长带及中央灰质。在病变区域神经元死亡遍布，反映着缺血缺氧的后果。此外，如发现脑软化，则主要见于大血管手术所致。
Witoszka等(1973)在20例尸检材料中，见16例有病理改变。最常见者为缺氧性神经元损害(13例)，它常位于海马、大脑及小脑皮质。其次为脑梗死(8例，临床多为局灶性运动障碍)，严重的弥散性皮质坏死(6例)、钙质颗粒所致的栓塞(3例)及小脑扁桃体疝(2例)。分析死亡原因，有9例是由于脑损害，其余为脑外因素如心肌梗死，持久性出血、休克或动脉栓塞等。
Tufo等(1980)尸检10例，内中9例脑部有损害，主要发现为小的，多发性弥散性全脑白质及灰质缺氧性改变，尤易见于海马。急性期可见局部区域组织空泡变(tissue vacuolation)和神经元死亡(7例)。此外，灰质中有栓塞灶。
与上述不同，Humphreys等(1975)报道16例术后引起颅内大出血的病例，其中12例见于尸检，另4例经手术证实。有11例为不同部位的硬膜下血肿，出血量在15～60ml;1例为硬膜外血肿，出血量为175ml;另4例为脑内血肿，出血量为15～60ml(内中1例在蛛网膜下隙有不足15ml血液)。
Montero等(1986)分析死于心脏移植患者23例的神经病理(脑和脊髓)，仅4例(17%)未见异常。大多数为血管性损害(60%)，其次为感染(20%)。脑部血管性损害包括血栓形成、栓塞、陈旧性或新近的梗死以及新近的出血，有的是继发于循环衰竭(后者包括术后低血压，心排出量减少或周围血管阻力增加)。CNS感染主要源于免疫抑制剂的应用，发现的病原体为巨细胞病毒、曲霉菌、念珠菌、弓形虫虫等。感染的原发病灶绝大多数在肺部，其次为心脏。在既往的报道中，曾发现肿瘤，且以淋巴瘤最多(Penn，1982)。