Un large éventail de structures moléculaires peut produire une dépression réversible du système nerveux central. Il est peu probable qu'il existe un mécanisme unificateur par lequel elles agissent toutes.
Une théorie veut que le mécanisme soit purement physico-chimique. La puissance d'une large gamme d'anesthésiques est en corrélation avec leur solubilité dans l'huile et les lipides. Il est donc suggéré que ces molécules pourraient se dissoudre dans les bicouches lipidiques des cellules excitables telles que les neurones, augmentant ainsi la fluidité de la membrane et perturbant les flux ioniques transmembranaires.
Par ailleurs, les anesthésiques généraux peuvent se lier à une partie particulière des protéines cellulaires. Il peut s'agir de pores membranaires, de transporteurs actifs impliqués dans le maintien du potentiel membranaire ou d'enzymes intracellulaires.
L'action des anesthésiques généraux ne se situe pas non plus à un seul endroit : les synapses de l'ensemble du système nerveux central sont affectées. Le tronc cérébral, le thalamus et le cortex sont des sites qui ont été diversement supposés jouer un rôle crucial dans l'anesthésie. Ce domaine de recherche a progressé grâce à l'utilisation de l'imagerie par résonance magnétique pour visualiser les altérations du métabolisme avec différents agents.
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