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Le cause della cefalea a grappolo non sono ancora state definite con certezza. Sono state quindi formulate alcune ipotesi che, singolarmente, spiegano alcune delle sue manifestazioni.

Una delle prime teorie formulate in merito sostiene che il dolore sia causato dall'alterazione del flusso sanguigno nella scatola cranica: le arterie cerebrali prima si restringono e poi si allargano, irritando le terminazioni nervose. Queste alterazioni vascolari provocherebbero anche una modificazione della produzione delle sostanze biochimiche, come la serotonina e l'adrenalina, che regolano la percezione e la trasmissione del dolore.

Una seconda ipotesi rintraccia la causa del mal di testa nell'alterazione del funzionamento di una struttura nervosa, chiamata ganglio sfeno-palatino, collegata con il nervo trigemino e con le vie nervose che conducono gli stimoli alle ghiandole lacrimali e alla mucosa nasale. In questo modo si spiegherebbero alcuni dei sintomi che accompagnano la crisi dolorosa, come la lacrimazione intensa e la congestione nasale.

Le teorie più moderne si basano però sull'esistenza di alterazioni ormonali e nervose: ad esempio, nei pazienti affetti da cefalea a grappolo si registrano anomali ritmi della melatonina, un ormone secreto dalla ghiandola pineale durante la notte che ha effetti sulla regolazione del sonno.

L'ereditarietà e la predisposizione genetica non sono invece motivi determinanti per il manifestarsi della cefalea a grappolo, come invece accade per altri tipi di mal di testa.

Se le cause della cefalea a grappolo non sono ancora state completamente spiegate, si possono riconoscere alcuni fattori scatenanti una crisi.