病理改變
ADEM的主要病理改變為大腦、腦干、小腦、脊髓有播散性的脫髓鞘改變，腦室周圍的白質、顳葉、視神經較著，脫髓鞘改變往往以小靜脈為中心，小靜脈有炎性細胞浸潤，其外層有以單個核細胞為主的圍管性浸潤，即血管袖套，靜脈周圍白質髓鞘脫失，并有散在膠質細胞增生。ADEM與MS病理上的區別：ADEM 的炎性病灶從小血管周圍放射狀延伸，而MS的病灶多為不連續性；其次ADEM的吞噬細胞圍繞在小血管周圍，而MS的吞噬細胞圍繞在斑塊周圍；再次，MS病灶的邊界多清晰，而ADEM者病灶邊界模糊。到疾病后期MS者出現星型細胞反應伴有纖維膠質增生，而ADEM無此表現。
病理機制
目前的證據表明ADEM是自身T細胞激活導致針對髓鞘或其它自身抗原的一過性自身免疫反應。具體有可能與以下機制相關：一是分子模擬假說，病前常有病毒感染和疫苗接種支持這一理論，分子模擬假說認為病原和宿主結構的部分相似誘導T細胞激活，但不足以使其耐受；動物試驗發現給健康動物注射髓鞘蛋白成分可誘發急性、慢性或復發緩解型的腦脊髓炎(EAE)。二是中樞感染作為觸發因素的假說，中樞神經系統感染后繼發自身免疫反應，感染造成血腦屏障破壞，導致中樞相關的自身抗原釋放入血，經淋巴器官加工處理，打破T細胞的耐受，導致針對中樞的變態反應。三是細胞因子的影響，在ADEM患者的腦脊液中發現IL-4、IL-10、TNF-α升高，外周血中髓鞘反應性T細胞數比正常人增高十倍以上，產生IFN -γ的CD3+的T細胞數量增加，而產生IL-17的CD4+的T細胞數并不升高，后者在MS患者中可顯著升高。四是抗體的作用，在ADEM患者血清中可檢測到髓鞘堿性蛋白（MBP）抗體和髓鞘少突膠質細胞糖蛋白(MOG)抗體，后者在兒童更多見，經治療后MOG抗體多消失，若持續存在，患者最終多轉變為MS。