人類的大腦會根據大腦中的神經遞質和神經受體的作用發揮功能，某些神經遞質的增多或減少對腦細胞來說是一種信號，可引起腦細胞或神經元的活動變化。神經遞質不同，傳遞的信息就不同；神經遞質在大腦不同部位的濃度高低、傳遞快慢、傳遞多少影響著人的思維、情感和行為方式。因此，以檢測神經遞質及其代謝產物為主要手段的神經生化研究可以幫助我們了解自閉癥患者特殊大腦活動的一些機理。
目前研究發現，與自閉癥關系密切的神經遞質有5-羥色胺、多巴胺、γ-氨基丁酸、谷氨酸，自閉癥患者體內的這些神經遞質存在含量差異或功能失常，這通常與基因異常或變異有關。
5-羥色胺（血清素）
5-羥色胺，又叫血清素，是人體內的一種物質，和許多生理活動相關，在腦內調節多種生理機能，如睡眠、進食、體溫、情感、行為。在情感和行為方面，5-羥色胺能使人產生幸福感和愉悅感。正常嬰兒血液中5-羥色胺含量會在進入兒童期以后逐漸下降，到成年期保持穩定。自閉癥患兒從2歲至15歲血液中5-羥色胺一直保持高水平，在一定程度上提示了自閉癥患兒發展的不成熟。相關的結果還包括：自閉癥患者大腦的5-羥色胺系統可能存在缺陷，盡管血中5-羥色胺濃度增高，仍無法促使下丘腦的神經元合成足夠的催產素，催產素合成分泌減少可能導致自閉癥患者社會交往與交流能力降低及社會回避等行為異常。自閉癥患者額葉5-羥色胺受體減少，會影響到額葉無法接收到其它腦區傳過來的信息。自閉癥患者額葉皮質、丘腦、小腦對色氨酸的吸納減少，這些區域生成5-羥色胺減少；自閉癥患者額葉皮質內側、中腦、顳葉5-羥色胺轉運體的運載能力下降，其中扣帶回5-羥色胺轉運體運載能力下降與社會認知缺陷有關，丘腦5-羥色胺轉運體的運載能力下降與重復刻板行為有關。
多巴胺
多巴胺也是一種重要的神經遞質，在認知、情感等中樞神經系統功能過程中發揮作用。利用SPECT和PET掃描的研究發現，前額葉皮質產生多巴胺的腦細胞功能下降，推測由此引起自閉癥患者的認知缺損。另有一些研究報道，自閉癥患者全腦（紋狀體、小腦除外）的多巴胺轉運體運載能力提高。總的來說，目前應用于自閉癥患兒的多巴胺能神經細胞的研究仍較少，多巴胺能神經細胞的改變與疾病的發生、發展之間究竟有怎樣的關系，還需要更多、更深入的研究。
谷氨酸
谷氨酸是中樞神經系統主要的興奮性神經遞質，參與認知活動，即學習和記憶，并對大腦的發育進程起至關重要的作用。給健康人服用谷氨酸的激動劑可產生類似于自閉癥患者的某些癥狀，提示自閉癥可能是一種高谷氨酸疾病。一些利用MRS的影像學研究得出來的結果不太一致，例如有研究發現杏仁核-海馬區谷氨酸增高，另一些卻發現小腦和右側扣帶回前端谷氨酸減少。對于自閉癥患者谷氨酸改變的研究還是處于不成熟階段。
γ-氨基丁酸
γ-氨基丁酸是中樞神經系統中的抑制性神經遞質，現在很多學者認為自閉癥是發育過程中興奮性與抑制性神經遞質失去平衡所致。正常水平的抑制對于大腦皮質的發育是必需的，而抑制水平的不足除了使癲癇發作的風險增高外，還會造成認知過程和運動控制的缺陷。現在發現，自閉癥患者合成γ-氨基丁酸的酶水平下降，相反，谷氨酸水平卻升高。一些PET的研究顯示，有自閉癥癥狀的患者大腦的杏仁核、小腦蚓部、額葉、頂葉、枕葉皮質γ-氨基丁酸受體的結合能力降低，而這些異常與基因缺陷有關，基因定位在人類的第15號染色體上。
研究中發現可能與自閉癥相關的物質還有去甲腎上腺素、銅、鋅、硫等。最新的研究提示，自閉癥患者腦內阿片含量過多與其孤獨、情感麻木及難以建立情感聯系有關，血漿內啡肽的水平與刻板運動的嚴重程度有關。
