神经生物学假说 German 等学者近年来提出了有关惊恐发作的神经生物学假说，并试图解释为什么药物治疗和认知-行为心理治疗都是有效的治疗方式。目前认为，动物对条件性恐惧的刺激反应与患者的惊恐发作反应在生理和行为后果之间表现出惊人的相似性。即在动物中，这些反应是由脑内的“恐惧网络”传递的，后者以杏仁核为中心，涉及下丘脑和内侧额叶前部皮质的互相作用。从杏仁核到下丘脑和脑干位置的投射解释了条件性恐惧反应许多外显的体征。惊恐发作的患者也存在相似的神经网络，其中证据之一是遗传因素和应激生活事件与惊恐障碍的发生有关，特别在青年早期。抗抑郁药物（尤其是影响5-HT系统的药物）可使由杏仁核到下丘脑和脑干的投射网络脱敏，有效的心理社会治疗也可以降低与左侧额叶前部皮质和下丘脑相关的恐惧和认知曲解，神经影像学研究对验证这些假说是否正确会有所帮助。
动物实验已经阐明获得条件性恐惧的脑干通路和相关神经递质。即条件性刺激的感觉输入通过丘脑前部到达杏仁核的外侧核团，然后传递至杏仁核的中央核团。杏仁核的中央核团是一个信息分布中心，它主宰自主的和行为的反应。杏仁核中央核团的输出有很多目的地：臂旁核，可以使呼吸频率加快；下丘脑外侧核，可以激活交感神经系统和引起自主觉醒以及交感神经的放电；蓝斑，可以导致去甲肾上腺素释放的增加和导致血压、心率以及行为的恐惧反应增加；还有下丘脑室旁核，可以引起肾上腺皮质激素释放的增加。另外，在杏仁核与感觉丘脑、额叶前部皮质、岛叶以及初级躯体感觉皮质之间存在重要的互相联系。惊恐发作的患者可能在这些皮质处理通路中存在一种神经认知缺陷，它可以导致对感觉信息的错误解释，经由对杏仁核误导的兴奋性输入，“恐惧网络”被不恰当地激活，出现相关行为和自主神经与神经内分泌的激活表现。例如，惊恐发作期间患者心率和呼吸都有所增加。虽然惊恐障碍的患者比正常志愿者或其他精神疾病患者对吸入C02 表现得更为焦虑、惊恐以及呼吸频率更快，但是对吸入CO2 最敏感的生理学指标——每分钟通气变化量/终末CO2 潮气浓度倾向于相反的结果。虽然一些学者发现惊恐障碍患者对CO2 高敏感性的证据，但是另一部分人也发现他们在此项测量中处于正常范围。只有在预期性惊恐发作时，惊恐障碍患者的皮质醇水平才会升高。总之，有证据提示一些惊恐发作伴随着自主的和神经内分泌的激活。
