มูลฐานทางประสาทของการทำให้ไวเชิงพฤติกรรมบ่อยครั้งยังไม่ชัดเจน แต่ปกติดูเหมือนจะเป็นผลจากที่ตัวรับความรู้สึกเพิ่มโอกาสตอบสนองต่อสิ่งเร้าตัวอย่างของการทำให้ไวทางประสาทรวมทั้ง

• การเร้าส่วนฮิปโปแคมปัสของหนูด้วยไฟฟ้าหรือสารเคมี จะทำให้การส่งสัญญาณผ่านไซแนปส์ (synaptic signal) มีกำลังมากขึ้น เป็นกระบวนการที่เรียกว่า long-term potentiation (LTP)[5] โดย LTP ของ AMPA receptor อาจเป็นกลไกของความจำและการเรียนรู้ในสมอง
• การเร้านิวรอนในฮิปโปแคมปัสและอะมิกดะลาในระบบลิมบิกอย่างซ้ำ ๆ ในที่สุดจะนำไปสู่การชักของสัตว์ทดลอง หลังจากทำให้ไว จะต้องมีการเร้าน้อยมากก่อนชัก กระบวนการเยี่ยงนี้ได้เสนอให้เป็นแบบจำลองของการชัก (kindling) ซึ่งเริ่มที่สมองกลีบขมับในมนุษย์ ที่การเร้าอย่างซ้ำ ๆ (เช่น ไฟกะพริบ) จะทำให้ชัก [6] คนไข้ที่ชักเหตุสมองกลีบขมับบ่อยครั้งจะรายงานอาการต่าง ๆ เช่น ความวิตกกังวลและความซึมเศร้า ซึ่งอาจเป็นผลของการทำงานผิดปกติในระบบลิมบิก[7]
• การไวต่อยาเสพติดมากขึ้นในกรณีติดยาเสพติด เป็นผลที่เพิ่มขึ้นของยาเนื่องจากการใช้ยาอย่างซ้ำ ๆ (ตรงข้ามกับการชินยา) ซึ่งเกิดร่วมกับการเปลี่ยนแปลงของการสื่อประสาทด้วยโดพามีนในวิถีประสาท mesolimbic ในสมอง ร่วมกับการเแสดงออกของโปรตีน delta FosB ที่มากขึ้นในวิถีประสาท mesolimbic การเรียนรู้แบบสัมพันธ์ (associative) อาจมีผลต่อการติดยา เพราะสิ่งเร้าในสิ่งแวดล้อมที่เชื่อมกับการใช้ยาอาจเพิ่มความต้องการยา ซึ่งอาจทำให้เสี่ยงการกลับมาใช้ยามากขึ้นสำหรับบุคคลที่กำลังเลิก[8]
• การไวสารภูมิแพ้ - ร่างกายจะตอบสนองต่อสารภูมิแพ้เป็นสองระยะ คือระยะต้นและระยะปลาย ในระยะต้น Antigen-presenting cell จะเป็นเหตุให้ลิมโฟไซต์แบบ TH2 ตอบสนองด้วยการผลิต cytokine คือ interleukin-4 (IL-4) ซึ่งเป็นสารที่สัมพันธ์กับภูมิแพ้ ลิมโฟไซต์แบบ TH2 ยังมีปฏิกิริยาร่วมกับ B cell อีกด้วยโดยร่วมกันผลิตสารภูมิต้านทาน Immunoglobulin E ซึ่งไหลเวียนไปรอบ ๆ แล้วเข้ายึดกับหน่วยรับความรู้สึกของเซลล์แล้วทำให้เกิดการอักเสบ ในกรณีนี้ การไวสารภูมิแพ้โดยทั่วไปจึงหมายถึงตอนที่เริ่มตอบสนองต่อสารภูมิแพ้[9] การไวสารภูมิแพ้จะเกิดในช่วงอายุต่าง ๆ โดยเด็กเล็ก ๆ จะมีโอกาสเสี่ยงมากที่สุด[10] มีการทดสอบต่าง ๆ เพื่อวินิจฉัยภาวะภูมิแพ้ ที่ใช้อย่างสามัญอย่างหนึ่งก็คือการใส่สารที่อาจทำให้แพ้บนผิวหนังของคนไข้ แล้วตรวจดูปฏิกิริยาที่เกิดจาก IgE ที่เฉพาะกับสารภูมิแพ้ งานศึกษาปี 2535 พบว่า IgE จะมีระดับสูงสุดก่อนอายุ 10 ขวบ และจะตกลงอย่างรวดเร็วจนกระทั่งถึงอายุ 30 ปี[10] มีนักวิชาการบางพวกที่เชื่อว่า โลคัสของยีนจะต่าง ๆ กันสำหรับคนชาติพันธุ์ต่าง ๆ สำหรับโรคอักเสบ/ภูมิแพ้แบบเดียวกัน[11] โดยงานทบทวนวรรณกรรมปี 2550 แสดงนัยว่า โรคหืดมีเหตุทางกรรมพันธุ์ที่โลคัสต่าง ๆ กันบนโครโมโซม ในระหว่างคนยุโรป ฮิสเปเนีย เอเชีย และแอฟริกา[12]

การไวเจ็บเหตุประสาทส่วนกลาง

ในการไวเจ็บเหตุประสาทส่วนกลาง (central sensitization) นิวรอนที่ส่งสัญญาณต่อจากโนซิเซ็ปเตอร์ในปีกหลังของไขสันหลัง จะไวความรู้สึกเพิ่มขึ้นเนื่องจากความเสียหายหรือการอักเสบที่เนื้อเยื่อซึ่งเป็นจุดเริ่มส่งสัญญาณ[13] เป็นกระบวนการที่เสนอว่า เป็นเหตุของความเจ็บปวดเรื้อรัง เพราะการไวความเจ็บปวดจะเปลี่ยนไปหลังจากมีการเร้าอย่างซ้ำ ๆ งานวิจัยในสัตว์แสดงอย่างคงเส้นคงวาว่า เมื่อเร้าด้วยสิ่งเร้าที่ทำให้เจ็บอย่างซ้ำ ๆ ขีดเริ่มเปลี่ยนของความเจ็บปวดจะเปลี่ยนไป ทำให้มีการตอบสนองที่แรงขึ้น

นักวิชาการเชื่อว่า ผลที่พบในการทดลองในสัตว์ จะมีอะไรที่คล้าย ๆ กันกับความเจ็บปวดในมนุษย์ ยกตัวอย่างเช่น หลังจากการผ่าตัดเอาหมอนรองสันหลังที่ยื่นเบียดเส้นประสาทออก คนไข้อาจจะยังรู้สึกเจ็บต่อไป นอกจากนั้นแล้ว ทารกที่ขริบหนังหุ้มปลายองคชาตโดยไม่ได้ให้ยาชา ปรากฏว่ามีแนวโน้มที่จะตอบสนองแรงขึ้นเนื่องจากการฉีดยา การฉีดวัคซีน หรือวิธีการทางแพทย์อื่น ๆ การตอบสนองรวมทั้งร้องไห้มากขึ้น หัวใจเต้นเร็วขึ้น และหายใจเร็วขึ้น[14]

การไวเจ็บเหตุประสาทส่วนกลาง (central sensitization) เกิดขึ้นเมื่อโนซิเซ็ปเตอร์ที่มีใยประสาทแบบ C ส่งสัญญาณซ้ำ ๆ แล้วทำให้นิวรอนในปีกหลังของไขสันหลังตอบสนองเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ เป็นกระบวนการที่เรียกว่า "wind-up" โดยเชื่อว่าหน่วยรับกลูตาเมตแบบ N-Methyl-D-aspartate (NMDA receptor) มีส่วนร่วม[15] เป็นกระบวนการที่เป็นไปตราบชั่วที่ยังมีสิ่งเร้าอยู่[16]

นอกจากนั้น การได้รับสิ่งเร้าอันตรายเป็นเวลานานจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงระยะยาวต่อนิวรอนในปีกหลังของไขสันหลัง (เช่น allodynia[16]) คล้ายกับ long-term potentiation (LTP) ที่เกิดในวงจรประสาทต่าง ๆ ในสมอง การกระตุ้นได้ง่ายขึ้นของนิวรอนในปีกหลังจะเป็นเหมือนกับการจำข้อมูลที่ได้จากโนซิเซ็ปเตอร์[15]

ในคนไข้บางกรณี การตอบสนองที่แปรไปของนิวรอนในปีกหลังของไขสันหลัง จะมีผลลดระดับขีดเริ่มเปลี่ยนของความเจ็บปวดแล้วทำให้เจ็บเอง (spontaneous) ตัวอย่างหนึ่งที่น่าทึ่งก็คือ phantom limb pain ที่คนไข้ผ่าตัดเอาแขนขาออกแต่ต่อมายังรู้สึกเจ็บในส่วนอวัยวะที่ตัดออกไปแล้ว ซึ่งมีเหตุส่วนหนึ่งจากการใช้ยาสลบเมื่อผ่าตัดแต่ไม่ใช้ยาชาเฉพาะที่ ทำให้โนซิเซ็ปเตอร์และวงจรประสาทที่เกี่ยวข้องยังทำงานเมื่อกำลังตัด จึงเกิดกระบวนการไวเจ็บเหตุประสาทส่วนกลาง (ที่ไขสันหลัง) ดังนั้น ต่อมาแพทย์จึงเริ่มใช้ทั้งยาสลบและยาชาที่ไขสันหลังเพื่อลดปัญหานี้[15]

อนึ่ง แม้การไวเจ็บจะเริ่มมาจากการทำงานของโนซิเซ็ปเตอร์ แต่ผลของมันก็สามารถกระจายไปยังการรับความรู้สึกแบบอื่น ๆ เช่นตัวรับแรงกลที่มีขีดเริ่มเปลี่ยนต่ำ ดังนั้น สิ่งเร้าที่ปกติไม่ทำให้เจ็บเช่นสัมผัสเบา ๆ จะทำให้นิวรอนที่ส่งสัญญาณความเจ็บปวดในปีกหลังของไขสันหลังเริ่มทำงานแล้วทำให้รู้สึกเจ็บ ภาวะการเกิดความเจ็บปวดจากสิ่งเร้าที่ไม่เป็นอันตรายเรียกว่า allodynia ซึ่งสามารถเป็นอย่างคงยืนหลังจากประสบกับสิ่งเร้าที่ทำให้เจ็บเป็นชั่วโมง ๆ[16][17]