なぜ体内の酸素が不足すると、頭部に激しい痛みが生じるのでしょうか。その答えは、脳が全身の中で最も多くの酸素を消費する臓器であるという生理的特性にあります。成人において、脳の重量は体重のわずか約2%に過ぎませんが、全身が取り込む酸素の約20%を単独で消費しています。
室内の換気不足や浅い呼吸によって血中の酸素分圧が低下し、二酸化炭素分圧が上昇すると、脳は生命維持のための防御反応を作動させます。「酸素が足りない」と感知した脳は、より多くの血液を送り込んで酸素供給量を維持しようと、脳血管を一気に拡張させます。この急激に拡張した血管が、周囲を取り巻く三叉神経を物理的・化学的に刺激し、拍動性の強い頭痛を引き起こすのです。これが、脳の酸素不足によって頭痛が生じる最大の理由です。
さらに低酸素状態が継続すると、脳細胞のエネルギー代謝（ATP産生）が滞り、細胞膜内外のイオンバランスが崩壊します。この過程で局所的な微小浮腫や炎症性物質の放出が誘発され、ズキズキとした血管拍動性の痛みから、頭全体を締め付けられるような持続性の鈍痛へと変化していきます。
