Przyczyny mogą obejmować niewydolność serca, niewydolność nerek, zatrucie narkotyczne i podwyższone ciśnienie wewnątrzczaszkowe. Patofizjologię oddychania Cheynea-Stokesa można podsumować jako bezdech prowadzący do zwiększonego CO2, który powoduje nadmierną kompensacyjną hiperwentylację, co z kolei powoduje zmniejszenie CO2, który powoduje bezdech, wznawiając cykl.
W niewydolności serca mechanizm oscylacja jest niestabilnym sprzężeniem zwrotnym w systemie kontroli oddechu. Przy normalnej kontroli oddechowej ujemne sprzężenie zwrotne pozwala na utrzymanie stałego poziomu stężeń gazów pęcherzykowych, a tym samym stabilnych poziomów tlenu i dwutlenku węgla (CO2) w tkankach. W stanie ustalonym szybkość produkcji CO2 jest równa szybkości netto, z jaką jest on wydychany z organizmu, co (zakładając brak CO2 w otaczającym powietrzu) jest produktem wentylacji pęcherzykowej i końcowo-wydechowego stężenia CO2. Z powodu tej wzajemnej zależności zestaw możliwych stanów ustalonych tworzy hiperbolę:
Wentylacja pęcherzykowa = produkcja CO2 w ciele / końcowo-wydechowa frakcja CO2.
Na poniższym rysunku ta zależność to krzywa opadająca z lewego górnego rogu do prawego dolnego rogu. Tylko pozycje wzdłuż tej krzywej pozwalają dokładnie skompensować wytwarzanie CO2 przez organizm poprzez wydychanie CO2. W międzyczasie istnieje inna krzywa, pokazana na rysunku jako prosta linia od dołu po lewej do prawej u góry, czyli ciało reakcja wentylacji na różne poziomy CO2. Tam, gdzie krzywe przecinają się, jest potencjalny stan ustalony (S).
Poprzez odruchy kontrolne oddechu, każdy niewielki przejściowy spadek wentylacji (A) prowadzi do odpowiedniego niewielkiego wzrostu (A ”) pęcherzykowego stężenia CO2, który jest wykrywane przez system kontroli oddychania, tak że następuje później niewielki kompensacyjny wzrost wentylacji (B) powyżej jej poziomu w stanie ustalonym (S), co pomaga przywrócić CO2 z powrotem do jego wartości w stanie ustalonym. Ogólnie, przemijające lub trwałe zaburzenia wentylacji, CO2 lub poziom tlenu można w ten sposób przeciwdziałać przez system kontroli oddychania.
Jednak w niektórych stanach patologicznych sprzężenie zwrotne jest silniejsze niż jest to konieczne, aby po prostu przywrócić system do stanu ustalonego. Zamiast tego wentylacja przeregulowania i mogą generować zakłócenia odwrotne do pierwotnego. Jeśli to wtórne zaburzenie jest większe niż pierwotne, następna reakcja będzie jeszcze większa i tak dalej, aż pojawią się bardzo duże oscylacje, jak pokazano na Rysunek poniżej.
Cykl narastania zaburzeń osiąga granicę, gdy kolejne zaburzenia nie są już większe, co pojawia się, gdy reakcje fizjologiczne nie zwiększają się już liniowo w stosunku do wielkości bodźca. Najbardziej oczywistym tego przykładem jest sytuacja, w której wentylacja spada do zera: nie może być niższa. W ten sposób oddychanie Cheyne-Stokesa może być utrzymywane przez wiele minut lub godzin z powtarzającym się wzorem bezdechów i hiperpneów.
Koniec liniowego spadku wentylacji w odpowiedzi na spadki CO2 nie jest jednak na bezdechu. Występuje, gdy wentylacja jest tak mała, że wdychane powietrze nigdy nie dociera do przestrzeni pęcherzykowej, ponieważ wdychana objętość oddechowa nie jest większa niż objętość dużych dróg oddechowych, takich jak tchawica. W konsekwencji, na najniższym poziomie oddychania okresowego, wentylacja przestrzeni pęcherzykowej może być efektywnie zerowa; łatwym do zaobserwowania odpowiednikiem tego jest niemożność w tym momencie, aby końcowe stężenia gazów wydechowych przypominały realistyczne stężenia w pęcherzykach płucnych.
Wiele potencjalnych czynników przyczyniających się do powstania zostało zidentyfikowanych przez obserwacje kliniczne, ale niestety wszystkie są ze sobą powiązane i znacznie się różnią. Powszechnie akceptowanymi czynnikami ryzyka są hiperwentylacja, wydłużony czas krążenia i zmniejszona zdolność buforowania gazów we krwi.
Są one fizjologicznie powiązane, ponieważ (dla każdego pacjenta) czas krążenia skraca się wraz ze wzrostem rzutu serca. Podobnie, dla każdego całkowitego tempa produkcji CO2 w organizmie, wentylacja pęcherzykowa jest odwrotnie proporcjonalna do końcowo-wydechowego stężenia CO2 (ponieważ ich wspólny iloczyn musi być równy całkowitej szybkości produkcji CO2 w organizmie). Czułość na chemorefleksję jest ściśle powiązana z pozycją w stanie ustalonym, ponieważ jeśli czułość na chemorefleksję wzrośnie (inne czynniki są równe), wentylacja w stanie ustalonym wzrośnie, a CO2 w stanie ustalonym spadnie. Ponieważ wentylacja i CO2 są łatwe do zaobserwowania i ponieważ są to powszechnie mierzone zmienne kliniczne, które nie wymagają przeprowadzania żadnego szczególnego eksperymentu w celu ich obserwacji, nieprawidłowości w tych zmiennych są bardziej prawdopodobne w literaturze. Jednak inne zmienne, takie jak wrażliwość na chemorefleksję, można zmierzyć tylko za pomocą specjalnego eksperymentu, a zatem nieprawidłowości w nich nie można znaleźć w rutynowych danych klinicznych. W przypadku pomiaru u pacjentów z oddychaniem Cheyne-Stokesa hiperkapniczna reakcja wentylacyjna może być zwiększona o 100% lub więcej.Gdy nie są mierzone, jego konsekwencje – takie jak niski średni PaCO2 i podwyższona średnia wentylacja – mogą czasami wydawać się najbardziej widoczną cechą.