Звична, широко поширена і навіть стала об'єктом анекдотів мігрень досі залишалася загадкою для медиків. Перші пояснення причини мігреневих головних болів зробили дослідники з медичної школи Перельмана Університету Пенсільванії. Вони довели, що джерелом головного болю є аномалії в артеріальній анатомії головного мозку.
Оскільки мозком споживається понад 25% постачається кисню, то будь-який дефіцит його призводить до небажаних наслідків і навіть хворобливих відчуттів. Для того щоб забезпечити «командний центр» всім необхідним і застрахувати від перебоїв з постачанням поживних речовин, мозок має дублюючу артеріальну систему, так званий «коло Вілліса» або «Віллізіев коло». За нього надходить кров у разі закупорки якого-небудь живлячої мозок судини за рахунок перетоків з інших судинних басейнів. Однак тільки у 50% людей ця судинна система розвинена повноцінно.
Саме носії вродженого дефекту формування артеріального кола Вілліса частіше страждають мігренню. Зміни в кровопостачанні мозку сприяють аномальної активності нейронів, що і сприймається як головний біль. Багато пацієнтів дуже різко реагують мігреневі болями на зневоднення.
У людей, з неповним формуванням кола Вілліса в задній частині мозку перед приступом можуть з'являтися зорові образи.