主要侵犯神經系統，多表現進行性腦損害癥狀，是引起小兒智能低下的重要原因。病情嚴重者可發生驚厥、癱瘓或嚴重代謝紊亂。這類疾病早期診斷十分重要，很多病種可經限制蛋白質或某種氨基酸的攝入,而避免嚴重腦損害，有些則用維生素治療有效。但有些類型目前尚無特效療法。
臨床上將本癥分可為5型。
1.典型小兒槭糖尿病
本型是最常見最嚴重的一型。生后第4～7天逐漸呈現嗜睡、不寧、哺乳困難、體重下降等癥狀；肌張力減低和增高交替出現，常見去大腦樣痙攣性癱瘓、驚厥和昏迷等，病情進展迅速。患兒尿液有楓糖漿味；部分患兒可伴有低血糖，酮、酸中毒，前囟飽滿等。多數患兒于生后數月內死于反復發作的代謝紊亂或神經功能障礙，少數存活者亦都有智能落后、痙攣性癱瘓、皮質盲等神經系統傷殘。
2.輕（或中間）型
酶活力為正常人的3%～30%，血中支鏈氨基酸和支鏈酮酸僅輕度增高；尿液有過量支鏈酮酸排出。少數可有酮癥酸中毒等急性代謝紊亂情況發生。
3.間歇型
酶活力為正常人的5%～20%。患兒平素無癥狀，體格和智能發育正常，通常在嬰兒晚期或兒童期發病，亦有遲至成人期發病者。發作時出現嗜睡、共濟失調、行為改變、步態不穩，重癥可有驚厥、昏迷、甚至死亡，尿液呈現楓糖漿味。患兒在發作間期血、尿生化檢查正常，少數有智能低下。
4.硫胺有效型
酶活力為正常人的30%～40%，其臨床表現與中間型患兒類似。
5.二氫硫辛酰胺酰基脫氫酶（E3）缺乏型
罕見，臨床表現類似中間型，但由于E3亞單位的缺陷，患兒除支鏈α-酮酸脫氫酶活力低下外，其丙酮酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫氫酶功能亦受損，故伴有嚴重乳酸酸中毒。一般在出生數月發病，逐漸出現進行性的神經系統癥狀，如肌張力減低、運動障礙、發育遲滯等。尿液中大量排出乳酸、丙酮酸、α-酮戊二酸、α-羥基異戊酸和α-羥基酮戊二酸等；由于丙酮酸的大量累積，血中丙氨酸濃度亦增高。