肌無力綜合征患者病變部位位于突觸前膜，其自身抗體的靶器官為突觸前膜的鈣離子通道抗體和乙酰膽堿（acetylcholine，ACh）囊泡釋放區，該抗體直接作用于周圍神經末梢突觸前膜ACh釋放部位及電壓門控性鈣通道，阻滯鈣離子傳遞，造成神經沖動所致的ACh釋放減少，產生神經肌肉接頭傳遞障礙，推測自身抗原可能為電壓門控性鈣通道復合物組成部分。
(1) SCLC -LEMS患者自身免疫應答主要針對腫瘤細胞抗原決定簇，后者與突觸前膜某些抗原決定簇有交叉免疫性，當免疫活性細胞遇到具有特殊HLA抗原癌細胞相關抗原決定簇時，通過分子模擬機制啟動免疫應答。從肺癌中獲得的細胞株顯示鈣通道蛋白有活化抗原，推測腫瘤細胞存在相應抗體，將患者IgG注入小鼠體內，ACh釋放減少，超微結構觀察發現ACh釋放區域功能紊亂。
(2) NT-LEMS自身免疫機制不清，該綜合征患者HLA-B8出現率（62%）明顯高于對照組（19%），NT-LEMS組（73%）高于SCLC-LEMS組（50%）。Lennon等對64例非腫瘤性肌無力綜合征患者調查發現，45%的患者有一種或多種器官（如甲狀腺、胃或骨骼肌）特異性自身抗體。