Les hallucinations sont dues à une perturbation de l'activité électrique des neurones pyramidaux du cortex frontal (néocortex). Cette perturbation résulte des effets des hallucinogènes sur le fonctionnement de plusieurs structures : le raphé, le locus coeruleus et le néocortex. Au niveau du raphé, les drogues inhibent l'activité neuronale en agissant sur les récepteurs 5HT1a ce qui modifie la libération de 5HT sur les interneurones glutamatergique du cortex. Dans le locus coeruleus, les hallucinogènes agissent sur les récepteurs 5HT2 et stimulent des interneurones gabaergiques, inhibant ainsi les influx somatiques et viscéraux. Par contre, les interneurones glutamatergiques du locus sont également activés car ils possèdent aussi des récepteurs 5HT2; ces interneurones facilitent alors les influx sensoriels. Au total, le locus coeruleus envoye au cortex des informations sensorielles amplifiées et altérées ce qui se traduit par une élévation de la libération de noradrénaline (NA) sur les terminaisons des interneurones glutamatergiques du cortex. Dans le cortex, les hallucinogènes accroissent la libération de glutamate (neurotransmetteur excitateur) par les interneurones sur les neurones pyramidaux par une action directe sur les terminaisons dotées de récepteurs 5HT2. A cette action directe, s'ajoute un effet indirect produit par la stimulation du locus coeruleus par les hallucinogènes. Cette stimulation accroit la libération de NA sur les terminaisons glutamatergiques, dotées de récepteurs adrénergiques alpha 1, et renforce la neurotransmission glutamatergique sur les neurones pyramidaux. Au bout du compte, la stimulation anormale des neurones pyramidaux altère leur fonctionnement ce qui produit les hallucinations et une neurotoxicité liée à une libération excessive de glutamante (excitotoxicité).