近年积累的资料提示本病有神经生理基础异常，认为多动和注意力不集中可能与脑内儿茶酚胺系统(去甲肾上腺素等，其前身为多巴胺)功能不足有关，动物实验中用药物使大鼠脑内多巴胺的存储减少或耗竭时，动物出现活动过度症，给动物服用苯丙胺以提高脑内多巴农垦在突触部位的含量，提高多巴胺神经元的活性，可使动物安静，临床上苯丙胺及丙米嗪(均有加强脑内突触部位多巴胺含量的作用)对治疗患儿活动过度有效，在丙磺舒试验中，测定患儿脑脊液中多巴胺代谢产物的含量，亦发现较对照组低。
最近用PET研究发现多巴胺受体的密度与儿童发育有关，多巴胺受体密度的特异性变化是直到少年期才成熟，多动儿童易被影响的区域认为是前叶的多巴通路，神经心理研究提示多动儿童的叶功能未经成熟，人们认为前叶皮层与儿童的冲动和攻击行为有关，测定发现多动儿童的局部脑血流，主要是发现半叶和尾状核两个部位受累，有些研究已证明用药使基底节和中脑的血流增加，而便运动区的血流减少，这些发现可以解释为什么服利他林后可使多动儿童的注意力能协调精细动作和粗大运动，其它研究多集中在丘脑，网状激活系统和前中脑束，多动儿童和正常对照比较，神经内分泌也有些区别，研究发现多动独的生长激素对苯丙胺或利他林的反应是不同的，这进一步明了多动和正常儿童有生物学的不同。
不论是皮肤电位还是诱发电位的研究，均发现多动症儿童一般对刺激表现为觉醒水平的不足，以前的研究也发现觉醒水平不足与反社会行为和品行障碍有关，因为觉醒不足，奖惩行为在一般心理水平不能起作用，多动症儿童难以吸取以前教训，其行为问题也难以矫正。
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