La EM afecta al sistema nervioso central (SNC), un término que abarca el encéfalo y la médula espinal. El SNC contiene células nerviosas (neuronas) y células gliales, que son diferentes tipos de células de soporte encargadas de asegurar el funcionamiento y la comunicación normales de las neuronas. Una neurona típica se compone de un cuerpo celular con dendritas, y una extensión larga llamada axón. Las dendritas son protusiones cortas que conectan con las neuronas inmediatamente vecinas, mientras que los axones conectan la neurona con partes más distales del SNC. Para asegurar velocidades altas de conducción de la señal, los axones pueden estar envueltos por una sustancia grasa aislante, llamada mielina (véase figura 2)

La mielina se encuentra envolviendo el axón, en forma de bloques interrumpidos por hendiduras bien definidas, llamados nódulos de Ranvier. La vaina de mielina permite que las señales nerviosas eléctricas salten de un nódulo al siguiente. Ese tipo de conducción se llama saltatoria, y proporciona la base para la conducción nerviosa rápida. El contenido alto de grasa proporciona a la mielina su aspecto blanquecino.
La presencia o ausencia de mielina también separa el encéfalo en dos regiones: la sustancia gris externa contiene neuronas con dendritas interconectadas, y la sustancia blanca interna, compuesta principalmente por tractos de axones recubiertos de mielina
Desmielinización
En la EM, los procesos inflamatorios dañan o destruyen las vainas de mielina de las células nerviosas. Esta pérdida de la vaina de mielina se conoce como desmielinización. Las áreas de desmielinización son llamadas “lesiones” o “placas”, y se observan cuando la mielina desaparece o se hace más fina en muchos axones de la región. Las lesiones afectan predominantemente a la sustancia blanca; por tanto, la EM es conocida como una “enfermedad de la sustancia blanca”.
Los axones carentes de mielina ya no pueden conducir correctamente las señales eléctricas, lo que se traduce en los síntomas neurológicos aparecidos típicamente durante una crisis, brote o recaída de la enfermedad. Puesto que las regiones del SNC con desmielinización son impredecibles, la naturaleza de los defectos neurológicos asociados varía en forma considerable.
Neurodegeneración
Una vez que cede la inflamación, la mielina dañada puede ser sustituida, con restauración consiguiente de la función neurológica, por la naturaleza transitoria de las crisis de EM. Sin embargo, en casos de desmielinización intensa y prolongada, cabe la posibilidad de que las neuronas sean destruidas antes de que llegue a restablecerse la cubierta protectora de mielina.
La figura siguiente muestra la formación y el desarrollo de la placa de desmielinización.

Las neuronas y los tractos axonales degenerados son sustituidos por tejido cicatricial, que no desempeña ninguna función neurológica. En estos casos, la neurodegeneración puede causar defectos neurológicos persistentes.