川芎作为“头痛圣药”，其治疗头痛的药理作用基于现代研究，主要通过调节血管、神经、血液及炎症等多环节实现，具体如下：
1. 扩张脑血管，改善脑循环（针对血管性头痛核心机制）
川芎的主要活性成分川芎嗪（四甲基吡嗪）和挥发油（如藁本内酯）能直接作用于脑血管平滑肌，通过抑制血管收缩物质（如去甲肾上腺素、5-羟色胺）的释放，或激活血管舒张通路（如NO/cGMP途径），缓解脑血管痉挛，并扩张脑部小血管，增加脑血流量。
- 对偏头痛（血管舒缩功能异常导致的搏动性头痛）：可纠正颅内血管“先收缩、后扩张”的异常波动，减轻血管过度扩张对周围神经的牵拉刺激，从而缓解头痛。
- 对缺血性头痛（脑血流不足所致）：通过增加脑灌注，改善脑组织缺氧，减轻因缺血引发的头痛、头晕。
2. 抑制血小板聚集，抗血栓形成（针对血瘀型头痛）
川芎中的阿魏酸和川芎嗪能抑制血小板膜上的花生四烯酸代谢，减少血栓素A?（TXA?，强缩血管、促血小板聚集物质）生成，同时促进前列环素（PGI?，扩血管、抗聚集物质）释放，降低血液黏稠度，阻止血栓形成。
- 对血瘀型头痛（如中风后头痛、高血压伴血瘀证头痛）：通过改善脑部微循环瘀滞，减少“瘀血阻络”导致的局部缺血缺氧，缓解头痛。