Autismikirjon häiriöissä esiintyvä tiedonkäsittelyn vaikeus on liitetty hermoyhteyksien ja muun muassa synaptogeneesin häiriöihin erityisesti aivojen assosiatiivisilla eli yhteyksiä välittävillä alueilla ja epätasapainona kiihdyttävien (ekskitatoristen) ja estävien (inhibitoristen) hermoyhteyksien välillä «Palmen SJ, van Engeland H, Hof PR ym. Neuropatholo...»1, «Contractor A, Ethell I.M, Portera-Cailliau C. Cort...»2.
Autismikirjon häiriön ajatellaan liittyvän ensisijaisesti hermoyhteyksien ja hermoverkon kokonaisvaltaiseen toiminnan häiriöön «Sato W, Uono S. The atypical social brain network ...»3. Puhutaan termistä "social brain network", mikä viittaa niihin aivorakenteisiin, joiden yhteyksissä keskenään on havaittu poikkeavuutta autismikirjon häiriössä «Sato W, Uono S. The atypical social brain network ...»3.
Autistisilla henkilöillä on todettu kuvantamis- ja post mortem -tutkimuksissa aivojen rakenteissa ryhmätasolla muutoksia verrattuna ei-autistisiin henkilöihin. Muun muassa aivokurkiaisessa, hippokampuksessa ja mantelitumakkeessa sekä keskiviivan aivorakenteissa on löydetty rakenteellisia ja toiminnallisia poikkeavuuksia «Palmen SJ, van Engeland H, Hof PR ym. Neuropatholo...»1, «Varghese M, Keshav N, Jacot-Descombes S ym. Autism...»4. Kuvantamistutkimuksissa 2–5-vuotiailla autistisilla lapsilla mantelitumake on havaittu suhteessa muuhun aivoston kokoon suurentuneeksi. Harmaan ja valkean aineen on mitattu lisääntyneen autistisilla taaperoikäisillä lapsilla erityisesti frontaalisella, temporaalisella ja pihtipoimun alueella «Hiremath CS, Sagar KJV, Yamini BK ym. Emerging beh...»5. Aivokuoren poimuuntumisen on havaittu olevan autismikirjon henkilöillä imeväisiässä viiveistä, mutta lapsuusiässä kiihtynyttä ja poimuuntumisasteen suurentunutta laajasti aivokuoren eri alueilla ei-autistisiin ikätovereihin verrattuna. Aikuisiässä poimuuntumisen on havaittu tasaantuneen tavanomaiselle asteelle «Sasabayashi D, Takahashi T, Takayanagi Y ym. Anoma...»6. Pikkuaivojen, aivokuoren (erityisesti frontaalinen) ja limbisen järjestelmän poikkeavuuksien on todettu olevan yhteydessä autismikirjon häiriöön huolimatta liitännäishäiriöistä tai autismikirjon vaikeusasteesta «Palmen SJ, van Engeland H, Hof PR ym. Neuropatholo...»1, «Varghese M, Keshav N, Jacot-Descombes S ym. Autism...»4, «Hiremath CS, Sagar KJV, Yamini BK ym. Emerging beh...»5, «Fetit R, Hillary RF, Price DJ ym. The neuropatholo...»7.
Hermoverkon toimintaa autismikirjon häiriössä on tutkittu toiminnallisen kuvantamisen keinoin «Kotila A, Järvelä M, Korhonen V ym. Atypical Inter...»8. Toiminnallisissa magneettikuvantamistutkimuksissa (fMRI) on osoitettu erityisesti dorsaalis-posteriorisessa pihtipoimun osassa ja oikean mediaalisen parasentraalisen lohkon alueella alentunutta paikallista hermoratojen yhteyttä tai aktiivisuutta (underconnectivity) «Hiremath CS, Sagar KJV, Yamini BK ym. Emerging beh...»5. Niin sanottua peilisoluteoriaa selvittävissä toiminnallisissa kuvantamistutkimuksissa autistisilla henkilöillä on havaittu yliaktiivista toimintaa alimman frontaalisen poimun alueella nuorilla molemmin puolin ja aikuisilla oikealla, sekä vasemmassa alemmassa parietaalilohkossa «Chan MMY, Han YMY. Differential mirror neuron syst...»9.
Riskiperheissä tehdyissä kuvantamistutkimuksissa aivokuoren pinta-alan ja subkortikaalisten alueiden ja pikkuaivojen volyymin mitattiin olevan suurempi imeväisillä, joilla on perheenjäsenten autismidiagnoosien myötä selvä riski autismikirjon häiriölle. Löydökset voitiin yhdistää toistavaan käyttäytymiseen 3-vuotiaana. Pitkittäistutkimuksessa MRI-kuvantamisella mitattiin lisääntynyt määrä selkäydinnestettä subaraknoidaalitilassa otsalohkon alueella imeväisiästä 2 vuoden ikään asti niillä lapsilla, joilla 2 vuoden iässä todettiin autismi «Hiremath CS, Sagar KJV, Yamini BK ym. Emerging beh...»5.
Autismikirjon häiriöön on liitetty erityisesti 6 kuukauden – 2 vuoden ikäisillä myös makrokefalia (aivojen tilavuuden epänormaali kiihtynyt kasvu) «Schmitz C, Rezaie P. The neuropathology of autism:...»10. Makrokefalian ja autismikirjon häiriön yhteyttä selvittävissä tutkimuksissa aineistojen heterogeenisyys on vaikeuttanut tulosten tulkintaa ja tulokset ovat olleet ristiriitaisia. Uusimmassa meta-analyysissä «Pan PY, Bölte S, Kaur P ym. Neurological disorders...»11 yhteys todetaan: makrokefaliaa näyttää esiintyvän autismikirjon häiriön lapsilla tavallisesti kehittyviä lapsia enemmän. Meta-analyysissä oli kahdeksan tutkimusta, joista neljässä voitiin tehdä vertailu kontrolliryhmään iän ja sukupuolen suhteen, minkä jälkeen kahdessa tutkimuksessa «Timonen-Soivio L, Sourander A, Malm H ym. The asso...»12, «Lainhart JE, Bigler ED, Bocian M ym. Head circumfe...»13 selvä yhteys tuli edelleen esiin.