As causas podem incluir insuficiência cardíaca, insuficiência renal, envenenamento por narcóticos e aumento da pressão intracraniana. A fisiopatologia da respiração de Cheyne-Stokes pode ser resumida como apnéia levando a aumento de CO2 que causa hiperventilação compensatória excessiva, por sua vez causando diminuição de CO2 que causa apnéia, reiniciando o ciclo.
Na insuficiência cardíaca, o mecanismo do a oscilação é um feedback instável no sistema de controle respiratório. No controle respiratório normal, o feedback negativo permite que um nível estável de concentrações de gás alveolar seja mantido e, portanto, níveis estáveis de oxigênio e dióxido de carbono (CO2) nos tecidos. No estado estacionário, a taxa de produção de CO2 é igual à taxa líquida na qual ele é exalado do corpo, que (assumindo que não há CO2 no ar ambiente) é o produto da ventilação alveolar e a concentração de CO2 expirado. Por causa dessa inter-relação, o conjunto de possíveis estados estacionários forma uma hipérbole:
Ventilação alveolar = produção de CO2 corporal / fração expirada de CO2.
Na figura abaixo, essa relação é a curva que vai do canto superior esquerdo para o canto inferior direito. Apenas as posições ao longo desta curva permitem que a produção de CO2 do corpo seja exatamente compensada pela expiração de CO2. Enquanto isso, há outra curva, mostrada na figura para simplificar como uma linha reta do canto inferior esquerdo ao canto superior direito, que é o corpo resposta ventilatória a diferentes níveis de CO2. Onde as curvas se cruzam é o estado estacionário potencial (S).
Através dos reflexos de controle respiratório, qualquer pequena queda transitória na ventilação (A) leva a um pequeno aumento correspondente (A “) na concentração de CO2 alveolar que é detectado pelo sistema de controle respiratório de modo que haja um pequeno aumento compensatório subsequente na ventilação (B) acima de seu nível de estado estacionário (S) que ajuda a restaurar o CO2 de volta ao seu valor de estado estacionário. Em geral, distúrbios transitórios ou persistentes na ventilação, CO2 ou os níveis de oxigênio podem ser neutralizados pelo sistema de controle respiratório desta forma.
No entanto, em alguns estados patológicos, o feedback é mais poderoso do que o necessário para simplesmente retornar o sistema ao seu estado estacionário. Em vez disso, a ventilação ultrapassa e pode gerar uma perturbação oposta à perturbação original. Se esta perturbação secundária for maior do que a original, a próxima resposta será ainda maior, e assim por diante, até que grandes oscilações se desenvolvam, como mostrado no A figura abaixo.
O ciclo de ampliação das perturbações atinge um limite quando as perturbações sucessivas deixam de ser maiores, o que ocorre quando as respostas fisiológicas deixam de aumentar linearmente em relação ao tamanho do estímulo. O exemplo mais óbvio disso é quando a ventilação cai a zero: não pode ser mais baixa. Assim, a respiração de Cheyne-Stokes pode ser mantida por períodos de muitos minutos ou horas com um padrão repetitivo de apnéias e hiperpnéias.
O fim da diminuição linear da ventilação em resposta às quedas de CO2 não é, entretanto, na apnéia. Ocorre quando a ventilação é tão pequena que o ar inspirado nunca atinge o espaço alveolar, porque o volume corrente inspirado não é maior que o volume das grandes vias aéreas, como a traquéia. Conseqüentemente, no ponto mais baixo da respiração periódica, a ventilação do espaço alveolar pode ser efetivamente zero; a contrapartida facilmente observável disso é a falha nesse ponto de tempo das concentrações de gás expirado para se assemelharem a concentrações alveolares realistas.
Muitos fatores contribuintes potenciais foram identificados por observação clínica, mas infelizmente eles estão todos interligados e co-variam amplamente. Fatores de risco amplamente aceitos são hiperventilação, tempo de circulação prolongado e capacidade tampão reduzida de gases sanguíneos.
Eles estão fisiologicamente interligados porque (para qualquer paciente) o tempo de circulação diminui à medida que o débito cardíaco aumenta. Da mesma forma, para qualquer taxa de produção total de CO2 corporal, a ventilação alveolar é inversamente proporcional à concentração expirada de CO2 (uma vez que seu produto mútuo deve ser igual à taxa de produção total de CO2 corporal). A sensibilidade quimiorreflexa está intimamente ligada à posição do estado estacionário, porque se a sensibilidade quimiorreflexa aumentar (outras coisas sendo iguais) a ventilação em estado estacionário aumentará e o CO2 em estado estacionário diminuirá. Como a ventilação e o CO2 são fáceis de observar, e porque são variáveis clínicas comumente medidas que não requerem a realização de nenhum experimento em particular para observá-los, é mais provável que anormalidades nessas variáveis sejam relatadas na literatura. No entanto, outras variáveis, como a sensibilidade quimiorreflexa, só podem ser medidas por experimento específico e, portanto, anormalidades nelas não serão encontradas em dados clínicos de rotina. Quando medida em pacientes com respiração de Cheyne-Stokes, a responsividade ventilatória hipercápnica pode ser elevada em 100% ou mais.Quando não medidos, suas consequências, como uma PaCO2 média baixa e ventilação média elevada, podem às vezes parecer a característica mais proeminente.