偏頭痛病人的腦部結構與一般人有異。美國科學家比較24名偏頭痛病人及12名非患者的腦部影像，發現患者大腦負責頭及面部感覺的體覺皮質區較一般人厚21%，雖然現時未能找出皮質區增厚與偏頭痛的因果關係，但就可解釋為何患者對痛楚感覺較敏感，他們除偏頭痛外，還會出現背痛、下顎痛及神經痛等痛症。