Il cervello è vulnerabile unicamente al danno ossidativo, per via del suo alto tasso metabolico e dei suoi elevati livelli di lipidi polinsaturi, il bersaglio della perossidazione lipidica. Di conseguenza, gli antiossidanti sono comunemente usati come farmaci nel trattamento di varie forme di danni cerebrali. Qui, gli imitatori della superossido dismutasi tiopental sodico e propofol sono utilizzati per trattare i danni dovuti alla ripresa della circolazione sanguigna dopo un'ischemia e per trattare i traumi cranici gravi, mentre i farmaci sperimentali NXY-059 ed ebselen sono state applicati nel trattamento degli ictus. Questi composti sembrano prevenire lo stress ossidativo nei neuroni, prevengono l'apoptosi e vari danni neurologici. Gli antiossidanti sono stati inoltre studiati come possibili trattamenti per malattie neurodegenerative quali malattia di Alzheimer, malattia di Parkinson e sclerosi laterale amiotrofica.