神經細胞凋亡與多種神經系統變性疾病相關。在慢性腦缺血中，神經細胞的凋亡在神經損傷方面同樣起著重要的作用。慢性腦缺血能誘導椎體神經元細胞凋亡，在缺血后2～27w出現細胞核濃縮、染色體片段化以及DNA斷裂以及椎體神經元細胞的減少，推測其主要原因為慢性腦缺血急性期時出現的谷氨酸細胞毒性作用以及持續性的神經元去極化所誘導。王守春等人通過應用流式細胞術研究發現，在慢性腦缺血1w后，額葉、海馬細胞凋亡率分別為8.18%、21.92%，在缺血后2w時紋狀體區細胞凋亡率達最高為9.22%，均明顯高于對照組的，以后均逐漸下降。通過TUNEL染色也發現額葉、海馬及尾狀核神經細胞凋亡明顯高于對照組。
通過對凋亡分子水平的研究也發現凋亡在慢性腦缺血神經損傷方面起著重要的作用。Bcl-2基因是抗細胞凋亡基因中的代表基因，在線粒體介導的神經細胞凋亡通路中發揮重要作用：Bcl-2可能是通過抑制谷胱甘肽的外泄及封閉Bax形成孔道的活性，降低胞內的氧化還原電位，并使一些小分子不能自由通透，能調節線粒體膜對一些凋亡蛋白前體的通透性，從而保護細胞，它在中樞神經系統中作為一種有效的抑制神經元凋亡和壞死的因子，可促進神經元的存活以及突觸的再生。實驗研究發現慢性腦缺血后，Bcl-2蛋白的表達明顯增加。此外，慢性腦缺血后，少突膠質細胞凋亡引起Caspase凋亡通路激活、Caspase-3 mRNA的表達增加，這些改變導致白質的損傷以及少突膠質細胞的凋亡。