膽紅素腦病是新生兒高膽紅素血癥的最嚴重并發癥，嚴重者可致患兒死亡，因此遠超生理劑量的膽紅素對新生兒腦神經的影響受到了研究人員的廣泛關注。Ip等在收集整理了近30年的大量病例資料后，發現新生兒高膽紅素血癥確實可以導致嚴重的腦病，且膽紅素水平與靶器官損傷程度呈正比，其病死率至少為10%，且70%的患兒將長期不愈。
腦內環境的穩定依賴于血腦屏障。血腦屏障主要成分為腦微血管內皮細胞（BMEC），可調控血腦屏障對血液中各種成分的通透性。生理狀態下，血中與清蛋白結合的膽紅素不能通過血腦屏障，也不會出現腦神經損傷。Cardoso等在BMEC細胞的培養基中加入膽紅素，觀察到BMEC細胞線粒體腫脹，出現凋亡小體并逐漸固縮凋亡，其機制可能為膽紅素使BMEC細胞發生亞硝基化應激反應。BMEC的凋亡改變了血腦屏障的通透性，成為高膽紅素血癥所致腦損傷的始動環節。膽紅素進入腦組織后，誘導神經細胞壞死、凋亡。Hansrnd等用不同劑量的膽紅素建立了大鼠的高膽紅素血癥腦病模型，發現血中膽紅素的含量與大腦皮層及海馬等區域的神經細胞損傷程度正相關。進一步觀察發現，損傷的神經細胞出現了腫脹、胞核固縮溶解等細胞凋亡現象。其機制可能與細胞因子IL-6相關，IL-6在中樞系統中作為炎癥介質具有一定的潛在致病作用，可能導致少突膠質細胞和髓鞘的變性、壞死及凋亡。膽紅素腦病的發病機制看似明確，但膽紅素啟動細胞凋亡的相關理論并不完善，仍需大量研究。
除了高膽紅素血癥引發腦神經損傷的細胞機制，腦損傷程度的影響因素也是臨床工作者十分關心的。湖南省兒童醫院統計了2235例不同日齡新生兒患者高膽紅素血癥后腦損傷的發生率，在88例發生膽紅素腦損傷的患兒中，出生一天即發生黃疸的患兒腦損傷發生率最高，并且較早入院進行醫療干預的患兒發生膽紅素腦病的機率較小。對于已經患有高膽紅素腦病的患兒，早期干預對預后具有重要的積極意義。但值得注意的是，高膽紅素血癥腦病患兒經外周動靜脈全自動換血術治療后可能對內環境造成影響，出現腦電背景活動抑制，甚至威脅生命。但通過血生化檢查、影像學檢查、 腦電監測等輔助檢查手段的聯合應用，能早期發現高膽紅素血癥腦病，從而為患兒贏得寶貴的治療時間。因此，為了降低新生兒高膽紅素血癥腦病的發病風險，應該對出現黃疸的新生兒盡早進行相關檢查及積極適當的治療，出現黃疸時日齡較小者，更應引起高度重視。