Plusieurs travaux sont menés en neurosciences à propos de l'épilepsie. Il s'agit de comprendre les corrélats biologiques de ce qui est observé en clinique, de décrire l'activité neuronale pendant une crise épileptique, et de comprendre les mécanismes d'initiation d'une crise et ses conséquences physiologiques à plus ou moins long terme.
Étant donné que l'épilepsie semble être plus un groupe de symptômes qu'une maladie unique, plusieurs modèles sont utilisés pour étudier les mécanismes biologiques de l'épilepsie.
Pendant une crise épileptique, un grand nombre de neurones déchargent des potentiels d'action de manière synchronisée. La synchronisation des neurones est une propriété intrinsèque des réseaux neuronaux. L'observation d'EEG de sujets sains révèle l'existence de différentes fréquences propres à l'activité cérébrale qui correspondent à des synchronisations de groupes de neurones. Il semblerait que dans le cas de l'épilepsie, cette synchronisation s'emballerait. Plus exactement, un dysfonctionnement se passe dans la transmission synaptique. Lors de cette transmission, des neurotransmetteurs ne partent pas de la terminaison pré-synaptique à la terminaison cible post-synaptique mais certains se rattachent à d’autres synapses. Ce phénomène est de l’ordre de 5% à la normale, mais dans les épilepsies généralisées, il est de 25%.
Plusieurs causes peuvent expliquer cet "emballement" :
Une crise épileptique provoque sur chaque neurone concerné une série de changements qui peuvent expliquer qu'une épilepsie devienne chronique. Ces changements sont assimilables à la plasticité neuronale, laquelle explique aussi les processus de mémorisation et d'apprentissage.
L’inhibition neuronale semble contrôlée par une enzyme du métabolisme énergétique. Chez les épileptiques, ce contrôle pourrait être déficient, favorisant ainsi le déclenchement des crises.
Il est vraisemblable qu'une multitude de gènes — dont beaucoup sont encore à identifier — interagissent de manière très complexe. Dans certaines formes génétiques familiales — concernant à peine 1% des cas — des chercheurs australiens de l'Epilepsy Research Center de Melbourne (Australie) ont réussi à identifier une dizaine de gènes. Les recherches génétiques, qui se situent aux confins de la recherche et de la clinique, n'en sont qu'à leurs balbutiements, mais devraient pouvoir aider à l'avenir dans le diagnostic et le choix de certaines stratégies de traitements. Par exemple, dans le cas de certains types d'épilepsie, susceptibles de se compliquer d'une encéphalopathie chez de très jeunes enfants, les épileptologues espèrent pouvoir les diagnostiquer beaucoup plus tôt, dès les premiers mois de vie, grâce à la génétique moléculaire. Ceci, afin de pouvoir proposer un traitement capable de réduire la gravité de ces encélopathies, voire d'en empêcher la survenue.
En France, un centre de génétique moléculaire spécialement dédié à ces pathologies rares a été mis en place à la Pitié-Salpêtrière.