ADEM的主要病理改變為大腦、腦干、小腦、脊髓有播散性的脫髓鞘改變，腦室周圍的白質、顳葉、視神經較著，脫髓鞘改變往往以小靜脈為中心，小靜脈有炎性細胞浸潤，其外層有以單個核細胞為主的圍管性浸潤，即血管袖套，靜脈周圍白質髓鞘脫失，并有散在膠質細胞增生。ADEM與MS病理上的區別：ADEM 的炎性病灶從小血管周圍放射狀延伸，而MS的病灶多為不連續性；其次ADEM的吞噬細胞圍繞在小血管周圍，而MS的吞噬細胞圍繞在斑塊周圍；再次，MS病灶的邊界多清晰，而ADEM者病灶邊界模糊。到疾病后期MS者出現星型細胞反應伴有纖維膠質增生，而ADEM無此表現。