人被淹死的过程中，首先受到伤害的是大脑。
大脑虽然只占人类体重的2%，但却要消耗基础能量代谢的20%。这是因为脑中的神经元通过放电传输信号，需要主动把带电粒子运输到细胞膜的一边，这个逆浓度运输的过程需要消耗大量能量。
具体而言，神经元表面的“粒子泵”每次把三个钠离子送到细胞外，把两个钾离子送入细胞内，就要消耗一个ATP。
ATP也就是三磷酸腺苷，是细胞能量传递的“分子通货”，它很不稳定，在水溶液里会几乎全部分解并把能量释放出来。所以ATP可以很方便地直接给细胞供能，却不宜作为储能或运输能量的化合物。
因而人体需要把大量的葡萄糖运到脑部，分解成ATP维持脑部基本的活动。
葡萄糖变成ATP又需要几个步骤。第一个步骤叫糖酵解，可以释放2个ATP，生成丙酮酸。糖酵解是已知最古老的代谢途径，甚至在还没有酶的太古宙海洋中就能通过金属催化发生。这一步骤不需要氧气，所以无论是需氧生物还是厌氧生物都可以通过糖酵解分解葡萄糖，获得能量。
然而，糖酵解的效率很低，它除了产生ATP，还产生一些仍然富含能量的物质。这些物质中的能量如果没有后续步骤的话就会被浪费。
所以后来，生物又陆续进化出了一些新的生化步骤，比如三羧酸循环和氧化磷酸化。简单地说，这些步骤可以进一步利用糖酵解产生的物质。
在这些步骤中，氧气是完成氧化磷酸化的必要物质。相对只会糖酵解的厌氧生物来说，新开发出的代谢途径分解一个葡萄糖可以获得30多个ATP，是糖酵解的10多倍，但高效的代价是对氧气的依赖。
而人类或者绝大部分陆生脊椎动物的肺，并不适合在水下呼吸，溺水后就无法摄入足够的氧气。
缺少了氧气的参与，ATP获取效率退回到厌氧时代。神经元因缺少足够的能量维护正常电位，所以开始放电。这又会进一步刺激下游的神经元放电。大量神经元开始不受限制地兴奋，并且把兴奋信号扩散出去。类似电源中的短路现象，造成大量神经元死亡。
这种现象学术上叫做“扩散性去极化”。还有一个比较直观的比喻：“大脑海啸”。
“大脑海啸”
这种现象在脑出血、中风时也会发生。而成年人的神经元很难再生，损伤很难逆转。如果继续缺氧，神经元将会继续放电，最后导致脑死亡。
