Ett anfall uppstår när en del av hjärnan blir överdrivet upphetsad eller när nerver i hjärnan börjar brinna tillsammans på ett onormalt sätt. Anfallsaktivitet kan uppstå i delar av hjärnan som är missbildade på grund av fosterskador eller genetiska störningar eller störda från infektion, skador, tumörer, stroke eller otillräcklig syresättning. Anfallens patofysiologi är ett resultat av en abrupt obalans mellan de krafter som exciterar och hämmar nervcellerna så att de excitatoriska krafterna har företräde. Denna elektriska signal sprider sig sedan till de omgivande normala hjärncellerna, som börjar skjuta i samverkan med de onormala cellerna. Vid långvariga eller återkommande anfall under en kort period ökar risken för framtida anfall då nervcellsdöd, ärrvävnadsbildning och spirande av nya axoner inträffar.
Nervceller mellan urladdningar har normalt en negativ laddning internt på grund av aktiv pumpning av positivt laddade natriumjoner ut ur cellen. Urladdning eller avfyring av nervcellen innebär en plötslig fluktuation av den negativa laddningen till en positiv laddning då joner kanaliseras in i cellen öppna och positiva joner, såsom natrium, kalium och kalcium, flödar in i cellen. Både excitatoriska och inhiberande kontrollmekanismer verkar för att tillåta lämplig avfyring och förhindra olämplig excitation av cellen. Anfallens patofysiologi kan uppstå på grund av ökad excitation av nervcellen, minskad hämning av nervcellen eller en kombination av båda influenserna.
Normalt efter att en nervcell bränts, förhindrar hämmande påverkan en andra avfyring av neuronen tills den inre laddningen av neuronen återgår till sitt vilotillstånd. Gamma-amino-smörsyra (GABA) är den huvudsakliga hämmande kemikalien i hjärnan. GABA öppnar kanaler för negativt laddade kloridjoner att flöda in i den exciterade neuronen, vilket minskar den inre laddningen och förhindrar en andra avfyring av nervcellen. De flesta läkemedel mot anfall minskar anfallens patofysiologi genom att öka frekvensen av kloridkanalöppningarna eller öka varaktigheten under vilken kanalerna är öppna. När det finns en störning i cellerna som avger GABA eller receptorställena för GABA, misslyckas kloridkanalerna att öppna och dämpa nervcellens excitabilitet.
Lika betydelsefulla för anfallens patofysiologi är mekanismer som leder till ökad excitation av neuroner. Glutamat är den främsta excitatoriska kemiska mediatorn i hjärnan, som binder till receptorer som öppnar kanaler för natrium, kalium och kalcium in i cellen. Vissa ärftliga former av anfall involverar en förkärlek för alltför frekvent eller ihållande aktivering av glutamatreceptorer, vilket ökar hjärnans excitabilitet och utsikterna för anfallsaktivitet. Dessutom kan kontinuerlig spridning av den elektriska aktiviteten längs skiktade delar av hjärnan ske från cell till cell, en icke-kemisk form av förökning som inte är föremål för reglering av hämmande mekanismer.
Behandlingar för anfallens patofysiologi riktar sig inte bara till de molekylära abnormiteterna som involverar jonkanalerna i nervcellerna utan också den icke-kemiska spridningen av excitation i hjärnan. Bensodiazepiner, såsom valium, och barbiturater, såsom fenobarbital, verkar för att öppna hämmande kloridkanaler. Fenytoin eller Dilantin förhindrar upprepad avfyring av nervceller genom att stänga ner natriumkanaler in i nervcellerna. I situationer med dåligt hanterade återkommande anfall kan halotan förhindra icke-kemisk överföring av nervimpulser. Dessutom förändrar insulin och steroider funktionen hos glutamatreceptorer, vilket undertrycker hjärnans excitabilitet.