由於腦癱是一個綜合徵，可以由於多種病因所引起，病理改變與病因有關。各種先天原因所致的腦發育障礙常可見腦瀰漫性病變，有不同程度的腦萎縮，腦室擴大，神經細胞減少，膠質細胞增生。由於病程長短不同，病理改變也不一樣。
早產兒缺血低氧性腦病時可引起室管膜下出血，腦室白質軟化，進而液化形成多個小軟化灶，吸收後呈小孔狀，軟化區擴大可形成空洞，稱為腦穿通畸形(或孔腦症)。足月兒缺血低氧性腦病可引起栓塞樣改變，腦壞死多見於皮質深層或白質內，逐漸形成瘢痕性腦回，也可軟化形成囊性變。
腦癱的病理改變還可見到髓鞘發育不良，內囊部位的神經纖維組織常受累，病變部位不同臨床表現也不一樣，基底節病變是手足徐動型腦癱的病理基礎。
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