En neuron är en nervcell som består av en kropp, eller soma; projektioner som kallas dendriter; och en nervfiber som kallas ett axon. Varje cells axoner ansluter till andra celler och fungerar som vägar genom olika delar av hjärnan. Efter en hjärnskada kan axonskada uppstå direkt från kraften av ett slag, eller som ett resultat av ämnen som frigörs av skadade eller döende celler. Svullnad kan också göra att axonerna lossnar från sina moderceller, vilket leder till mer skada. Sjukdomar som multipel skleros kan också orsaka degeneration av axoner.
Nervsystemet är beroende av förbindelserna mellan varje cell för att fungera korrekt. Diffus axonal skada är en form av axonskada, där nervfibrerna är fysiskt bortkopplade. Detta händer ofta vid kollisioner i hög hastighet, till exempel en bilolycka. Själva skadan kan störa kommunikationen mellan olika delar av hjärnan, eftersom neuroner inte kan interagera. Efter att en skada äger rum kan efterföljande svullnad göra att axonet separeras från neuronet.
Axonskada uppstår ibland som en del av en kaskadhändelse. När nervceller är skadade och axoner kopplas bort, släpper neuroner en hög nivå av kemikalier som bygger upp till giftiga nivåer. Andra nervceller dör när kemikalierna penetrerar deras deoxiribonukleinsyra (DNA) och utlöser celldöd. För mycket kalcium kan också komma in i skadade nervceller och orsakar en svullnadsreaktion som ofta orsakar axonskada. Medicinska studier har föreslagit att genom att minska nivån av kalciumjoner efter en hjärnskada kan celldöd minskas.
Skador på neuroner uppstår också när axoner sträcks ut. Om det sträcks för snabbt kan axonets cytoskelett misslyckas, vilket leder till ytterligare svullnad och infusion av kalcium i cellen. Inflammatoriska reaktioner associerade med multipel skleros leder till axonskador och degeneration. Det skyddande myelinhöljet som omger axonerna förblir ofta intakt, så tillståndet kan bestå och gå i remission flera gånger.
Efter axonskada kan nervfibrer växa för att ersätta axonerna, men störningar i denna känsliga process inträffar ibland. Höga nivåer av signalsubstanser, brist på syre eller otillräckligt blodflöde till det skadade området kan negativt påverka regenereringen av nervceller. Fibrerna kan också vara felriktade och ansluta i fel områden om den elektriska aktiviteten i hjärnan är tillräckligt hög. Allvarliga långtidseffekter kan uppstå, såsom anfall, minnesförlust och kronisk smärta.