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뇌경색의 병태생리는 뇌 조직으로의 혈류 공급이 급격히 감소하거나 중단되어 뇌 세포가 손상되고 괴사하는 과정으로 설명할 수 있다. 뇌는 인체에서 가장 많은 산소와 포도당을 소모하는 기관 중 하나이며, 혈류를 통해 이러한 필수 영양소를 공급받는다. 따라서 뇌 혈류가 일정 시간 이상 차단되면 뇌 세포는 에너지 고갈 상태에 빠지게 되고, 기능적 손상 및 구조적 변성이 발생한다. 이 과정은 크게 허혈성 폭포 현상으로 이해할 수 있다.
우선, 혈류 공급의 중단은 즉각적인 ATP 고갈을 초래한다. ATP는 뇌 세포가 정상적인 기능을 수행하는 데 필수적인 에너지원이다. ATP가 부족해지면, 세포막의 나트륨-칼륨 펌프 기능이 저하되어 세포 내 나트륨과 칼슘 이온이 축적되고, 세포 외 칼륨 이온이 유출된다. 특히 세포 내 칼슘 이온의 과도한 축적은 칼슘 의존성 효소들을 활성화시켜 세포막 손상, 단백질 변성, 지질 과산화 등을 유발하여 세포 사멸을 촉진한다.