缺血时脑的最明显的组织学变化为脑水肿及脑细胞坏死，两者往往又互为因果关系。医学教育|网搜集特别是脑水肿，是各种脑血管意外的常见病理过程。Chan及Fishman等将大脑切片浸于含各种脂肪酸的溶液中，以观察组织肿胀的情况，发现只有在多价不饱和脂肪酸存在下，才能引起水肿，这是因为脂肪酸容易过氧化而引起细胞膜损伤。用砂鼠做实验制备不完全缺血模型，证明缺血及再灌注过程中脑含水量持续增加，缺血时水肿的产生是膜脂降解，游离脂肪酸增加的结果，而过氧化是再灌注后水肿持续加重的原因之一，因为细胞膜脂质过氧化使膜结构破坏。
