神经系统疾病可分成神经退化性疾病、脑部创伤伤害及神经中毒等三方面来讨论。
（一）神经退化性疾病
研究人员发现，富氢水为一种小分子，能穿过脑血屏障（BBB），具有保护并改善脑部等神经系统疾病的作用。
2015年林（Lin）等人发现，富氢水除了能保护中央神经系统之外，还会刺激AMPK，在Sihuin-1的引导下，活化 FOXO3a下游的抗氧化反应，避免受到AB的影响，导致粒线体电位下降。因此认为氢分子具有治疗神经退化性疾病的潜力，包括阿兹海默症（AD）、帕金森氏症（PD）和肌萎缩性脊髓侧索硬化症（ALS）。
后来松本（Matsumoto）等人以小白鼠帕金森氏症（PD）模式进行研究，发现富氢水可以刺激胃部的生长素接受体（ghrelin receptor），促进生长素（ghrelin）分泌，因此认为生长素具有神经保护作用。可是若先剔除小白鼠胃部的生长素接受体，使其不分泌生长素，则投予帕金森氏症小白鼠富氢水之后，发现一样具有神经保护作用，可见生长素并不是改善神经系统疾病的唯一因素，可能氢分子才是主角。
再就肌萎缩性脊髓侧索硬化症（ALS）来看，其诱因可能与氧化压力有关。而过去的研究认为，补充维生素C、E等典型抗氧化剂可能有效，但临床上沒有证据显示效果有多明显。 直到最近才有研究人员以基因突变（SOD1G93A）的转殖小白鼠做实验，結果发现富氢水能減少小白鼠的运动神经元（motor buff Neurons）损失，同时降低氧化压力相关指标，有助于延长生命，因此认为富氢水中的氢分子具有神经保护作用，具有治疗神经退化性疾病的潜力。其中，阿茲海默症（AD）的病理与帕金森氏症（PD）类似，投予富氢水应该也有助益。
（二）脑部创伤引发的伤害
2012年的一项研究指出，在不太严重的脑创伤模式中，富氢水可显著升高无声信息调节阀（silentinformation regulator2SIR-2）和分子相关的脑衍生物神经营养因子（molecules associated with brain-derived neurotrophic factor，MABDRF）所调控的突触可塑性（synaptic plasticity），因而改善认知行为。
另一个老鼠慢性收缩损害模式研究则发现，富氢水可改善神经病理的痛苦机械阀，減少氧化压力诱发的p38 MAPK和脑衍生物有关的神经营养因子之变化。
此外，研究人员在一项控制皮质碰撞实验中发现，富氢水可以完全阻断脑下垂体和皮质区的磷酸化Tau蛋白上升，因此能保护神经，避免退化得太快，若进一步给与富氢水，还能减少促进炎细胞激素（pro-cytokines）同时增加抗发炎细胞激素的数量，表示富氢水具有治疗作用。
动物的神经系统中存在一种钙缓冲蛋白（calcium buffering proteins），该蛋白参与神经的分化、成熟和凋亡，扮演举足轻重的角色。2015年，研究人员以中度大脑动脉阻塞模式，证明在大脑缺血、造成伤害时，富氢水既可减少大脑栓塞体积、改善神经功能，还能预防鈣缓冲蛋白（calcium buffering proteins）突然减少而造成神经损伤，具有神经保护作用，能防治脑神经损伤所造成的伤害。
（三）避免神经中毒
2013年研究人员以急性一氧化氮中毒的老鼠模式作实验，结果发现富氢水有助于減少老鼠的神经坏死，凋亡和自噬（autophagy）程度，还可改变其区航（placenavigation）能力，因而更容易适应外在变化。
也有研究认为，在老鼠暴露于低量毒死蜱（chlorpyrifos）的情况下，富氢水有助于保护老鼠、避免神经中毒。还能调节老鼠的抗氧化功能，避免受到活性氧的伤害。
由以上的研究可知，氢分子确实具有保保护神经系统、避免受到氧化压力损伤的效用。
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