叢集性偏頭痛是一種多見於中年男性的、週期性叢集性發作的、部位固定於一側眼眶及其周圍的頭痛。其發病機制目前尚不明確，有研究者提出神經源學說，內容如下：
1.叢集性偏頭痛發作疼痛均發生在三叉神經第1、2支分佈區，提示與三叉神經有關。可能三叉神經受到逆行性刺激，誘發P物質和其他血管活性肽釋放，引起血管擴張而頭痛。
2.疼痛發作側的自主神經症狀，提示交感神經興奮性降低，副交感神經興奮性增高，說明自主神經功能障礙在發病中起一定作用。
3.實驗發現眶上靜脈及海綿竇炎症可能損害交感神經纖維，引起自主神經症狀，因此，可以認爲血管因素和神經因素在頭痛發作中可能共同起作用。
4.叢集性偏頭痛發作有明顯週期性，有的像定時鐘一樣，每天幾乎在恆定的時間發作，因此有人提出可能存在中樞神經系統功能障礙，如源於下丘腦後部調節自主神經的神經元功能障礙，下丘腦前部，如視上核與生物鐘節律有關的神經功能紊亂，生物鐘受5-HT調節，某些治療叢集性頭痛的藥物可加強5-HT能神經傳導，提示有5-HT能神經的功能障礙。
