脓毒症可影响中枢神经系统。非中枢神经系统感染的患者，如果因为脓毒症出现了神经系统并发症，则可将其称为脓毒症脑病（sepsis-associated encephalopathy ，SAE）。脓毒症脑病可出现在70%左右的脓毒症患者身上。出现脓毒症脑病的脓毒症患者，病死率增加；即便是生存者，也会有远期功能障碍。SAE急性期，可出现病态行为、昏睡、谵妄、记忆力障碍、情绪障碍，严重者可出现昏迷。诊断SAE需要依据临床特征诸如：睡眠周期障碍、与镇静不符的意识障碍、幻觉、焦虑、谵妄等。SAE还可以导致肌张力障碍，70%的SAE可出现神经肌肉病变。SAE应当是排除性诊断，其临床表现缺乏特异性，诊断SAE需要排除脑膜炎、脑炎、菌栓等病变。诊断SAE需要依靠临床情况和明确的机体感染。

SAE的病理生理非常复杂，涉及诸多机制，如神经炎症反应、缺血性病变、神经递质异常、线粒体功能障碍等。SAE的病理生理改变缺乏特异性生物标志物来鉴别，同时病变为非特异性的，因此，想要弄清楚这一病理生理改变非常具有挑战。脓毒症的时候，全身细胞因子风暴会增加血脑屏障通透性，内皮细胞会激活，从而出现微循环障碍，导致微循环阻力改变、凝血激活、缺血性损伤。同时，SAE可出现内皮细胞NO合成酶的激活和高表达，从而出现NO脓毒症增加，导致组织水肿、NO诱导的细胞死亡。

实验发现，脓毒症患者脑体积会减少，尤其是海马区域和大脑皮层。海马和大脑皮层的损伤可导致远期功能障碍，影响学习和记忆功能。SAE患者的大脑皮层、皮质下区域和白质可出现影像学可见的改变。MRI可发现在SAE患者身上，可出现细胞毒性水肿（缺血）和血管性水肿（血脑屏障损伤）。对于SAE来说，脑电图越异常，病死率越高。

SAE还可以出现神经递质途径的改变，这种改变和谵妄类似，患者可出现乙酰胆碱、GABA、多巴胺、去甲肾上腺素和谷氨酸递质的异常。递质的改变还和芳香族氨基酸相关，诸如酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸，这种氨基酸的改变和肌肉分解、肝功能异常相关，从而最终会引起中枢系统中氨基酸的浓度改变，导致神经传递损伤。神经炎症反应过程中，患者可出现细胞代谢障碍和线粒体功能异常，从而出现氧自由基的产生，增加超氧化物歧化酶活性，从而出现能量代谢障碍、ATP产生减少、细胞凋亡。

脓毒症的治疗非常具有挑战，目前没有预防、治疗SAE的方法。对临床上发生的SAE，治疗主要是控制症状。寻找治疗SAE的方法是非常必要的，而且是非常有前景的。

治疗谵妄需要首先明确诊断，然后停用一些可导致谵妄的潜在药物。使用镇静剂和神经松弛药物要非常小心，要避免使用强力苯二氮卓类药物如劳拉西泮。和劳拉西泮相比，右美托咪定可缩短脑病时间、缩短机械通气时间、降低病死率。SAE患者很少出现癫痫，比例可低至10%，因此不推荐使用抗癫痫药物，除非有证据表明患者出现癫痫。有研究显示，免疫疗法（TNF-α单抗）可降低脓毒症休克和细胞因子表达较高的患者的病死率，但没证据表明免疫疗法能够改善SAE患者的预后。

也有试验表明，间充质干细胞能够缓解血脑屏障障碍、缓解神经炎症反应，减少神经胶质细胞聚集，从而可改善长期预后，改善SAE患者的记忆功能。他丁类药物、抗抑郁药物、白奎芦醇可降低小胶质细胞激活，能够防止远期认知障碍、行为异常。调控线粒体也是潜在的治疗手段，Mdivi-1能够减海马区域少氧化应激，减少细胞死亡。