丛集性头痛属于血管性头痛之一。传统的观点认为CH与血管功能障碍有关。Horton氏认为此种类型头痛与组织胺关系密切，它曾对此病患者在间歇期内皮下注射组织胺试验表明，60%的患者可诱发头痛发作，并且血中组织胺之增高和消退均非常迅速，提示与急剧头痛发作有关。 但是也有部分学说认为，头面神经因素也是引起发作的一个原因。

丛集性头痛发作疼痛均发生在三叉神经第1、2支分布区，提示与三叉神经有关。可能三叉神经受到逆行性刺激，诱发P物质和其他血管活性肽释放，引起血管扩张而头痛。

疼痛发作侧的自主神经症状，提示交感神经兴奋性降低，副交感神经兴奋性增高，说明自主神经功能障碍在丛集性头痛发病中起一定作用。

实验发现眶上静脉及海绵窦炎症可能损害交感神经纤维，引起自主神经症状，因此，可以认为血管因素和神经因素在头痛发作中可能共同起作用。

丛集性头痛发作有明显周期性，有的像定时钟一样，每天几乎在恒定的时间发作，因此有人提出丛集性头痛可能存在中枢神经系统功能障碍，如源于下丘脑后部调节自主神经的神经元功能障碍，下丘脑前部，如视上核与生物钟节律有关的神经功能紊乱。

生物钟受5-HT调节，某些治疗丛集性头痛的药物可加强5-HT能神经传导，提示有5-HT能神经的功能障碍。

Gardner等（1947）提出了通过岩浅大神经和蝶神经节传递的副交感神经阵发性放电假说。丛集性头痛的自然发作周期可能与控制24h节律的下丘脑机理有关。

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