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神经元由神经细胞胞体及其突起构成。神经细胞胞体内的高尔基体参与形成多肽类或激素类的神经分泌颗粒，合成某些神经递质如儿茶酚胺以及与神经递质合成有关的酶，然后以囊泡的形式输送到神经末梢。突起包括一个或多个树状突和一个细长的轴状突，神经元是神经系统唯一能传递神经冲动的结构，其中树突和胞体是接受其他神经细胞传来冲动的部分，而轴突则把神经元的冲动传递到末梢。神经元之间的交接点被称为突触，包括前一个神经元的末梢部分，即突触前膜；后一个神经元的细胞膜，即突触后膜；突触前后部之间有15～25mm的裂隙，即为突触间隙。
在胚胎发育早期，酒精可能通过影响神经元的分化、迁移而引起脑形态结构发育障碍；在胚胎发育后期，即突触发生阶段，酒精可诱导神经元凋亡而导致脑功能发育异常。人类胚胎从第7个月开始到出生后的几年之内，是突触发生的时期，也是对酒精最敏感的时期之一。若在这一阶段受到酒精暴露，可引起大量的神经元发生程序性死亡。在突触发生时期，酒精诱导的神经元凋亡可能是胎儿酒精综合征产生的原因之一。酒精可能通过增加自由基的产生，影响神经递质受体的功能、干扰神经营养因子信号通路、激活内源性的细胞凋亡信号途径等分子机制，促进发育过程中的神经元凋亡。酒精影响发育的另一个重要机制是抑制蛋白质合成。
以下主要阐述酒精诱导的神经元凋亡机制：
氧化应激长期被认为是酒精诱导发育中神经元凋亡的机制之一。摄入体内的酒精经乙醇脱氢酶作用生成乙醛，大部分乙醛需要由乙醛脱氢酶代谢使之变成乙酸。乙醛脱氢酶在氧化过程中可生成大量的超氧阴离子自由基，损伤神经元。酒精还可通过细胞色素P450增加超氧阴离子自由基和过氧化氢的生成，使线粒体受损，特别是对呼吸链的部分抑制，导致氧化还原载体，如辅酶Q的自氧化，增加氧自由基的产生。大脑是机体线粒体最活跃的部位，在酒精的代谢中必然会产生大量的自由基。此外，酒精能使细胞内NADH/NAD增加，从而将三价铁离子催化还原为二价铁离子，生成大量羟自由基，造成脂质过氧化。为了清除这些过量的自由基和过氧化脂质，就不得不动用体内大量抗氧化剂和抗氧化酶，又会导致这些指标的显著降低。
在酒精诱导的神经元凋亡模型中，酒精引起7日龄小鼠大脑中反映体内氧化应激程度的硫代巴比妥酸反应物（thiobarbituric acid reactive substance，TBARS）增多，而清除氧自由基的谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GPx）含量下降。促红细胞生成素（erythropoietin，EPO）能有效抑制酒精引起的神经元死亡，同时也降低了脑组织的TBARS水平。体外培养的大鼠原代皮层神经元中，酒精能够显著增加活性氧（reactive oxygen species，ROS）的产生，提高线粒体内脂质过氧化产物4-羟基壬烯醛（4-hydroxynonenal，HNE）和丙二醛（malonaldehyde，MDA）的含量，降低谷胱甘肽（glutathione，GSH）的含量，引起半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3（cysteine aspartic acid protease，caspase-3）的激活，以及细胞色素C的释放和神经元凋亡。使用 N-乙酰半胱氨酸（N-acetylcysteine，NAc）增加细胞内还原性谷胱甘肽的含量，对正常细胞活性没有影响，却能有效抑制酒精诱导的神经元凋亡。
细胞凋亡主要包括内源性和外源性两条通路。在外源性凋亡途径中，配体与细胞膜上的死亡受体结合，激活半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-8（cysteine aspartic acid protease，caspase-8），继而激活下游的 caspase-3等，引起细胞凋亡。在内源性凋亡途径中，线粒体膜上的促凋亡因子和抗凋亡因子比例发生变化，使线粒体膜的通透性发生变化，引起细胞色素C的释放，细胞色素C与细胞凋亡蛋白酶激活因子-1（apoptosis protease activating factor-1，APAF-1）和 caspase-9结合，从而激活 caspase-3及下游因子。B细胞淋巴瘤/白血病-2基因（B-cell lymphoma， Bcl-2 ）家族蛋白在内源性细胞凋亡途径中起着重要的调节作用：Bcl-2、Bcl-xL等是抑制细胞凋亡的因子；而Bax、Bad等则起促进细胞凋亡的作用。这些蛋白通过形成同源或异源二聚体发挥作用。当Bax形成同源二聚体时，诱导凋亡，随着Bcl-2表达量的上升，越来越多的Bax二聚体分开，与Bcl-2形成更稳定的异源二聚体，从而抑制Bax同源二聚体诱导的凋亡作用。细胞内Bcl-2家族促凋亡因子和抗凋亡因子间比例的变化调节着细胞凋亡的发生。Young等以新生7日龄的小鼠为模型，证明酒精诱导的神经元凋亡主要是通过线粒体介导的内源性细胞凋亡途径。在 Bax 基因敲除小鼠中，酒精不能诱导神经元的凋亡，但 caspase-3 基因敲除并不能抑制酒精引起的神经元死亡，提示Bax可能是决定细胞命运的关键因素。后续的研究发现，在 Bax 基因敲除小鼠中，酒精不能诱导小脑浦肯野细胞的凋亡，但小脑颗粒细胞对酒精的敏感性并没有发生改变。出生4d的大鼠小脑中，酒精能诱导胞浆和线粒体膜上Bad的表达，同时引起了线粒体膜上Bad和Bcl-xL复合物的增加。大鼠孕期摄入酒精，能降低后代大脑皮层中Bcl-2蛋白的表达水平。
蛋白合成停止是细胞凋亡的重要机制之一，真核细胞翻译起始因子-2α（eukaryotic initiation factor，eIF-2α）在该过程中起着关键作用。蛋白翻译起始时，eIF2α由结合二磷酸鸟苷（guanosine diphosphate，GDP）的形式转换为结合三磷酸鸟苷（guanosine triphosphate，GTP）的形式，使带氨基酰的转运核苷酸（transfer ribonucleic acid，tRNA）与小亚基结合，并为起始复合物的形成提供能量。细胞受到外界刺激时，eIF2α被磷酸化，减少了eIF2-GDP向eIF2-GTP的转换，从而抑制蛋白质的合成。双链核苷酸激活的蛋白激酶（double stranded RNA-activated protein kinase，PKR）在哺乳动物中广泛表达，能通过磷酸化其底物eIF2α，使蛋白翻译受到抑制，在细胞的抗病毒反应中起到重要的调控作用。近年来，关于PKR在神经元凋亡和神经退行性疾病中的作用，受到了越来越多的关注。研究表明，在诱导的小鼠癫痫持续状态中，PKR在皮层和海马组织中被激活，并引起蛋白翻译受到抑制。磷酸化的PKR表达水平在帕金森病（Parkinson disease，PD）和亨廷顿舞蹈病（huntington chorea，HD）患者脑组织内明显升高，提示PKR在这些疾病的发生中可能具有重要的作用。
除双链核苷酸外，PKR也可以被其激活物激活。新近的研究显示，在体外培养的原代小脑颗粒细胞中，酒精能够引起PKR相关蛋白（RAX）和PKR的相互作用，并通过磷酸化其下游的eIF2α导致蛋白翻译受阻和神经元死亡。过量表达RAX的细胞对酒精的敏感性提高，并增强了酒精引起的蛋白翻译受阻和神经元的死亡。该研究首次揭示了酒精通过抑制蛋白合成引起细胞凋亡的分子机制。酒精可能通过增加自由基产生、影响神经递质受体的功能、干扰神经营养因子信号通路、激活内源性的细胞凋亡信号途径等分子机制促进细胞凋亡。抑制蛋白质合成是酒精影响发育的另一个重要机制。
神经营养因子（neurotrophic factors，NTFs）是神经元的存活、增殖、分化等所必需的一大类生长因子。在中枢神经系统的发育过程中，仅接收到足够营养因子信号的细胞才能存活，而缺乏营养支持将导致细胞凋亡。大量研究表明，酒精通过干扰神经营养因子的信号通路引起神经元的死亡。酒精可能通过多种途径干扰神经营养因子的作用，如影响营养因子的表达，影响营养因子受体的水平或影响这些因子激活的下游信号通路。不同类型的细胞，对酒精的敏感程度与它们对生长因子的响应程度相关。脑源性神经生长因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）是近年来研究较多的一种营养因子，在神经元的存活、突触形成中起着重要的作用。BDNF的生物学效应通过与受体结合实现，配体与受体结合后，可以激活细胞内不同的信号通路，包括磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）通路和细胞外信号调节蛋白激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）信号通路，这些通路的激活能引起细胞增殖相关的一些转录因子的表达。酒精能降低新生大鼠大脑皮层BDNF表达水平并影响其受体的功能。同时，酒精抑制了BDNF激活的PI3K和ERK通路。胰岛素样生长因子-1（insulin like growth factor-1，IGF-1）是一类促进细胞生长、具有胰岛素样代谢效应的神经营养因子。IGF-1及其受体广泛分布于中枢神经系统，通过下游的促分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）和PI3K等信号通路抑制细胞凋亡，调节离子通道活性。IGF-1与细胞膜上的受体结合，激活其胞内段，然后磷酸化并激活胰岛素受体底物1（insulin receptor substrate-1，IRS-1），IRS-1可以招募并活化PI3K，从而激活PI3K信号通路，抑制细胞凋亡。酒精能够抑制IGF-1对原代小脑颗粒细胞的神经保护作用，诱导细胞凋亡，其途径是抑制IRS-1的磷酸化，阻碍PI3K的结合。大鼠在孕期摄入酒精，后代出生后神经元的胰岛素信号通路受到抑制。Rubin等通过详细的结构研究发现，酒精能结合在胰岛素受体和IGF-1受体激酶活性区域的疏水部位，并与极性氨基酸残基通过亲水结合稳定下来，从而抑制受体激酶的活性，阻断胰岛素信号通路。众多研究还表明，酒精可能通过以上一种或多种途径干扰NTF-3、神经生长因子（nerve growth factor，NGF）、表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF）等神经营养因子的作用。
神经胶质细胞是中枢神经系统的主要细胞占全脑细胞50%以上，是脑的主要组成成分。它广泛分布于中枢神经系统内，具有支持、滋养神经元，吸收和调节某些活性物质的功能。神经胶质细胞具有分裂能力，可以吞噬因损伤而解体破碎的神经元，并能修补填充、形成瘢痕。神经轴突再生过程必须有神经胶质细胞的引导才能成功。
神经胶质细胞作为脑的重要组成部分其发育不仅是神经系统整体发育的一个组成部分，且为神经元的发育提供了不可缺少的环境条件。星形胶质细胞是中枢神经系统最重要的神经胶质细胞之一，对神经元具有营养支持作用，并能引导神经元的定向迁移和分化成熟。酒精对神经元的损害作用是否是通过影响星形胶质细胞功能继而影响神经元功能受到普遍关注。少突胶质细胞的主要功能是在中枢神经系统中包绕轴突、形成绝缘的髓鞘结构、协助神经电信号的跳跃式高效传递，维持和保护神经元的正常功能。少突胶质细胞的异常除导致中枢神经系统脱髓鞘病变之外，还会导致神经元损伤或精神类疾病，甚至可以引发脑肿瘤。酒精及其代谢产物乙醛对星形胶质细胞和少突胶质细胞损伤机制可能与下列因素有关：
以往研究证实，酒精可影响神经元膜脂质和突触体膜脂质流动性，导致膜脂与膜蛋白相互关系发生紊乱。不同神经毒物对细胞损害存在着差异，对同一种神经毒物的敏感性也因细胞类型不同而异。酒精、乙醛对星形胶质细胞和少突胶质细胞膜脂质荧光偏振度、流动度有明显影响。随剂量递增，荧光偏振度显著下降，与剂量呈负相关关系；流动度显著升高，与剂量呈正相关关系。
酒精对膜脂质流动性的改变可能是酒精属亲脂性溶剂，有较高的脂/水分配系数，通过影响膜脂合成或降解过程引起膜组分，特别是膜脂质和磷脂的改变影响两种细胞膜脂质的流动性。另一方面进入膜脂中的酒精诱导膜有序结构紊乱或膜蛋白和膜脂相互作用引起膜结合蛋白空间构象改变和脂质双分子层的改变，从而导致两种细胞膜脂质流动性增大。由于细胞膜脂质的流动性与物质转运、信息传递、能量转换和细胞分化有关，从而不难理解酒精导致星形和少突胶质细胞膜脂质流动性严重改变，必然影响这些细胞的生长和发育。
胶原纤维酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein，GFAP）和S 100 特异性的表达于星形胶质细胞，GFAP构成星形胶质细胞的基本骨架-中间微丝，S 100 蛋白则能通过螯合中间微丝的亚单位，调控GFAP的表达，GFAP和S 100 对星形胶质细胞的分化成熟均具有重要作用。胶质纤维酸性蛋白是星形胶质细胞的标志蛋白，GFAP表达的高低可以反映反应性胶质化的程度，反应性星形胶质增生是中枢神经系退行性疾病及损伤引起的神经组织损害时一种常见现象。有研究发现，低剂量组海马区免疫细胞化学染色的星形胶质细胞胞体未见肥大，突起也未见粗壮，Morris水迷宫潜伏期未见延长，提示低剂量酒精对脑结构和功能无损伤作用。高、中剂量组海马区星形胶质细胞肥大增生、突起变得粗壮，面密度也较正常组有显著变化，提示酒精中毒会导致星形胶质细胞的分裂，GFAP的表达增强。对于星形胶质细胞在损伤后所起的作用有不同的见解，一方面神经胶质化是神经系统自身保护机制之一，它可以通过吞噬损伤处退变的细胞碎屑，改善神经元存活的内环境，分泌大量的促神经生长因子，有利于神经再生，另一方面反应性胶质化产生过度，阻碍髓轴和轴突再生的机械屏障而影响损伤的修复。有些学者发现神经胶质细胞不仅能相互传递信息而且可接受来自神经元的信号，还有传播信号给神经元的可能。神经胶质的细胞膜与神经元一样可携带递质的受体，并具有离子通道作用。胞体萎缩、树突减少等神经元的损害与记忆减退的关系已为大量实验所证明。星形胶质细胞中GFAP的表达增强与记忆减退的直接关系尚缺乏证据。有人认为星形胶质细胞的增生和肥大与神经元的丢失有关，星形细胞数的变化可能是继发于神经元的变化。
酒精可影响GFAP表达，因GFAP是构成星形胶质细胞最突出细胞器-中间丝的亚单位，是星形胶质细胞的标志蛋白，故其阳性表达可反映星形胶质细胞发育成熟状况。中间丝是一类形态上十分相似，化学组成有明显差别的蛋白纤维。它在细胞质内形成网架系统，朝外与细胞和细胞外基质联系，往内与细胞核表面和核基质联系，在中间则与微管、微丝及其他细胞器联系。因此在细胞内和细胞间起着多方面的结构作用，在细胞形态的形成与维持、细胞的移位和铺展、细胞内颗粒的运动、细胞间的连接、细胞器特别是细胞核定位等方面其重要作用。GFAP表达降低时，可能会影响星形胶质细胞中间微丝的形成和神经胶质的衍生，星形胶质细胞连接支持神经元功能降低，干扰神经元分化成熟，导致神经元功能发育异常。因此，胎儿酒精综合征神经元发育异常的原因之一，很可能是酒精导致星形胶质细胞GFAP表达异常。
酒精能明显抑制星形胶质细胞S 100 蛋白表达。S 100 蛋白作为钙离子调节蛋白，能够维持机体钙稳态，参与调控钙离子依赖性的蛋白质磷酸化过程，调节信号通路。此外，S 100 蛋白对酶活性、炎症反应、细胞骨架、细胞增殖与分化均具有调控作用。S 100 蛋白具有调节细胞骨架，调控细胞生长周期与细胞分化，参与氧化磷酸化过程，并具有轴突延伸因子的作用。S 100 蛋白表达降低可能会影响星形胶质细胞骨架微丝、微管的聚合、轴突的延伸、磷酸化调节、信号传递，能量代谢等过程，从而影响星形胶质细胞生长、发育和功能的完善，进而影响神经元的功能。
酒精抑制胎鼠脑星形胶质细胞GFAP和S 100 蛋白表达可能与酒精干扰 GFAP 和 S 100 基因转录过程有关。先前的体内研究发现，酒精能够引起胎鼠脑GFAP mRNA表达下降。另一方面也可能与酒精干扰蛋白转译，影响相应蛋白的表达有关。体外研究表明，酒精能够增强星形胶质细胞热休克蛋白（heat shock protein，HSP）的表达从而抑制维持正常功能蛋白质的表达，导致GFAP和S 100 表达下降。酒精引起细胞数量的下降可能与增殖抑制和细胞凋亡有关。研究表明，酒精可抑制某些有丝分裂原诱导的星形胶质细胞的有丝分裂，并能抑制体外培养的星形胶质细胞的增殖，提示酒精对星形胶质细胞具有增殖抑制作用。此外酒精还能够引起星形胶质细胞的细胞膜和线粒体损伤，诱导凋亡和坏死。
综上所见，酒精可能通过多种途径干扰星形胶质细胞的正常发育，既可能通过抑制GFAP，S 100 蛋白表达影响星形胶质细胞的骨架形成，还可能通过影响S 100 蛋白间接干扰磷酸化作用，影响信息传递，引起能量代谢障碍。GFAP和S 100 蛋白表达异常很可能是酒精引起神经系统发育异常的主要机制之一。
热休克蛋白是普遍存在于生物细胞中的一类应激反应蛋白，正常细胞非应激状态下其表达水平较低，应激时迅速升高。近年研究发现，脑热休克蛋白表达与神经发育和神经元的功能状态有关，HSP的持续表达将伴有其他基因持续抑制，导致神经元内大部分维持正常功能的蛋白质合成减少，而神经元发育状况又与星形胶质细胞有关。体外研究表明，酒精能通过增强星形胶质细胞HSP表达抑制维持正常功能蛋白质的表达，并可通过损伤星形胶质细胞的细胞膜和线粒体导致凋亡和坏死。机体细胞在受热或其他理化因素作用后可出现应激反应。