A hirtelen, hasogató fejfájást okozó agyfagyás akkor lép fel, ha jeges italt iszunk, esetleg fagylaltot eszünk. A Harvard kutatói a migrénes fejfájást vizsgálva jöttek rá, hogy a fájdalmat az agy érhálózatának hirtelen tágulása okozza; a szervezet így próbálja megvédeni az agyat a csökkenő hőmérséklettől. Mivel azonban a kitáguló erek miatt a koponyán belül megnő a nyomás, elkerülhetetlen a fejfájás.
Az agyfagyás (brain freeze) jelenségével valószínűleg mindenki találkozott már; a fagylalt-fejfájásként is emlegetett tünet jellemzően hideg ételek fogyasztásakor lép fel. A kutatók korábban is megkísérelték megfejteni a fájdalom okát, de pontosan sosem tudták meghatározni azt. Az eddigi kutatások során csak azt sikerült kideríteni, hogy a migréntől szenvedő betegek körében ennek magasabb az előfordulási esélye; az orvosok emiatt úgy vélték, hogy a hasonló tünetek hasonló működési mechanizmusra utalhatnak. Az agyfagyás jelentőségét a kutatók azért kezdték tanulmányozni, hogy megérthessék a migrén működését.
A migrén tanulmányozása korábban szintén nehézségekbe ütközött. Mivel a fájdalomhullámok véletlenszerűen lépnek fel, a kiszámíthatatlanságuk miatt nehéz reprodukálni őket. A kutatók viszont emiatt nem tudják az elejétől a végéig megfigyelni a folyamatot – hiába adnak olyan gyógyszert a betegnek, ami migrénes rohamokat vált ki, ha a szer olyan mellékhatásokat is produkálhat, amik félrevezető vizsgálati eredményeket szülhetnek. Az agyfagyás ezzel szemben gyors eredményt szülhet, ráadásul mivel rövidebb ideig tart, mint egy migrénes roham, a folyamatot könnyebb az elejétől a végéig nyomon követni.
A kutatók tizenhárom egészséges alanyt vizsgáltak a kísérlet során. Az önkéntesek jeges vizet ittak, méghozzá szívószállal, hogy a víz elérje a szájpadlásukat. Ha fájdalmat éreztek, kézfeltartással kellett jelezniük azt; ahogy azt is, ha a fájdalom elmúlt. A kísérletet irányító orvosok ezalatt a páciensek agyában áramló vért vizsgálták egy, az ultrahang működési mechanizmusát idéző eszközzel. Megfigyelték, hogy a hideg hatására az agyban megnövekedett a véráramlás; a vér ráadásul az elülső agyi artériákon is áthaladt, amely az agy középső részén, a szem mögött található. A kutatók megállapították, hogy a megnövekvő véráramlás és a kitáguló artériák tehetnek az agyfagyáskor fellépő fájdalomérzetről. Ha az artéria összehúzódik, a fájdalom is megszűnik.
Jorge Serrador, a Harvard Medical School kutatója a kísérlettel foglalkozó hivatalos közleményben leírta: mivel az agy a szervezet egyik legfontosabb része, a szervezet mindig igyekszik biztosítani a megfelelő működését. Az erek tágulása és összehúzódása valószínűleg az agy védelmi mechanizmusa lehet, mivel az agy roppant érzékenyen reagál a hőmérsékletre: valószínű, hogy a kitágult vérerek folyamatosan próbálják fenntartani az agy konstans hőmérsékletét. Mivel a beáramló vér nem tud olyan gyorsan eltávozni az agyból, mint amilyen gyorsan felgyülemlik az agyfagyás idején, a koponyán belül megnő a nyomás, ez pedig fájdalommal jár. Ha azonban az agyban emelkedik a hőmérséklet és a nyomás, a vérerek összehúzódnak; így csökken a nyomás és normális szintre süllyed a hőmérséklet, tehát a kritikus, egészségre ártalmas szintet sem érheti el.
A kutatók úgy vélik, hogy ha a fejfájás működési mechanizmusa más betegségek esetén is hasonló elven működik, az megkönnyítheti a gyógyszeres kezelést is. Manapság számos olyan készítmény kapható, amely megakadályozza az erek tágulását, vagy éppen segíti azok összeszűkülését.