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Le cause dell'emicrania non sono ancora del tutto chiare e diverse ipotesi circa la sua origine sono tuttora allo studio.
Classicamentè considerata un disturbo di origine vascolare. Secondo questa teoria, durante un attacco emicranico si verifica una costrizione dei vasi arteriosi con conseguente riduzione nell'apporto di sangue in particolari aree cerebrali. Questa fase corrisponde all'aura emicranica ed è seguita da una fase di dilatazione dei vasi sanguigni, che può causare la sensazione di male alla testa.

Secondo una delle teorie più accreditate dai ricercatori circa l'origine dell'emicrania, i soggetti che soffrono di questo tipo di cefalea, avrebbero un sistema nervoso più vulnerabile nei confronti dei repentini cambiamenti (sia interni all'organismo che ambientali) rispetto a quelli che non soffrono di mal di testa emicranico. Durante l'attacco di emicrania, cambiamenti nell'attività del cervello provocherebbero un'infiammazione intorno ai vasi sanguigni con irritazione di alcuni terminali nervosi.

Secondo l'ipotesi neurogena, l'emicrania sarebbe causata in primo luogo da alterazioni di tipo nervoso di cui gli scompensi vascolari sarebbero una conseguenza.

Nonostante esistano diverse possibili cause scatenanti il meccanismo causale dell'emicrania non sia ancora del tutto chiaro, ciò che provoca l'insorgenza del dolore durante un attacco sembra essere una momentanea variazione nella circolazione sanguigna extracerebrale. In particolare, questo avviene al di sotto della leptomeninge (ossia della meninge più interna, quella che riveste il cervello) dove i vasi sanguigni prima si restringono e poi si dilatano.

Ricerche ancora in corso stanno valutando l'importanza di fattori ereditari e genetici nell'origine delle cefalee primarie e in particolare dell'emicrania.

Sono stati, invece, chiaramente identificati numerosi fattori scatenanti responsabili dell'insorgere degli attacchi.
Tra questi, nelle donne giocano un ruolo spesso fondamentale le variazioni ormonali che si verificano in corrispondenza del ciclo mestruale, della menopausa o in seguito all'uso di contraccettivi orali. Si calcola, infatti, che circa il 60 per cento degli attacchi di emicrania femminili siano indotti da variazioni ormonali.