氮气本身无明显毒性，但具有一定脂溶性，随氮分压的升高而溶解量增加，易溶于富含类脂类物质的神经组织，使神经细胞膨胀，进而改变膜蛋白功能结构，干扰三磷酸腺苷合成，抑制钠泵作用，导致神经细胞膜的兴奋障碍，产生麻醉作用。
高分压氮环境对脑功能的影响与吸入气中氮分压有直接关系。氮分压越高，症状出现越快，程度越严重。此种情况多见于深潜作业水深在30m以上时，根据氮浓度不同而分别出现兴奋性增加、动作不准确、注意力不集中、感觉迟钝、口唇麻木、眩晕、嗜睡、幻觉及恐怖感等表现，严重者神志丧失。
潜水员从水下高压环境过快地转入常压环境时，可使原来溶解于血液或组织中的氮气迅速气化，形成氮气气泡（nitrogen bubbles），压迫神经血管或造成微血管阻塞，引起减压病（decompression sickness）或称潜涵病（caisson disease）。皮肤直接接触液氮则可引起严重冻伤。
吸入高浓度氮气为氮气最常见的致病原因，氮气大量吸入可相对减少吸入气中氧含量，从而造成机体缺氧窒息。正常情况下，空气中氧含量约20%～21%，如吸入气中氧含量<16%，即可引起机体缺氧症状；当吸入气氧含量降至8%，可出现呼吸增快、发绀；氧含量降至4%，患者数秒钟内失去知觉，呼吸停止，可引起脑水肿、肺水肿及大脑皮质基底神经节永久性病变，患者可迅速发生惊厥、昏迷、死亡。
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