小膠質細胞與阿爾茲海默癥（老年癡呆）、帕金森氏癥、艾滋癡呆綜合征，以及視網膜變性等疾病有關。小膠質細胞功能異常會導致其分泌活性氧自由基等物質破壞周圍神經細胞，造成神經退行性病變。由小膠質細胞分泌的炎性因子很可能是使帕金森氏病患者體內神經退行性病變惡化的因素之一。小膠質細胞的類似機制也可能使阿爾茲海默癥的神經退行性病變加重，但同時也有證據顯示小膠質細胞能夠抑制阿爾茲海默癥的早期發生。
在艾滋病患者中，中樞神經系統中的1型艾滋病病毒主要儲存于小膠質細胞中。被艾滋病病毒感染后的小膠質細胞會發生活化，分泌具有細胞毒性的免疫調節因子、使神經系統功能紊亂，最后造成神經退行性病變。