Duas das principais características encontradas no cérebro das pessoas com o mal de Alzheimer são os emaranhados neurobrilares ("emaranhados" para abreviar), que são compostos por uma proteína chamada tau, e placas senis (que são feitas principalmente de outra proteína chamada beta-amilóide, às vezes também são chamadas de feixes beta-amilóide ou "feixes" para abreviar). As proteínas tau que formam os emaranhados anteriormente mantinham juntas uma estrutura dentro dos neurônios chamada microtubo, que é uma parte importante do neurônio; ela forma parte do citoesqueleto (esqueleto celular), que é o que mantém a forma de uma célula, e os microtubos desempenham um papel na comunicação celular.
Tanto os emaranhados quanto as placas podem ser causados por outras doenças, como o vírus Herpes simplex Tipo 1, que está sendo investigado como uma possível causa ou contribuinte no desenvolvimento da doença de Alzheimer. Não se sabe ao certo se os emaranhados e as placas são parte do que causa o Alzheimer, ou se são os resultados.
Microtubos 
Os microtubos são feitos de uma proteína chamada tubulina. A tubulina é polimerizada, que é quando as moléculas formam sempre as mesmas formas que estão ligadas entre si em grupos, e estes grupos estão ligados entre si. Elas podem formar longas cadeias ou outras formas; neste caso, a tubulina polimerizada forma microtubulos. Os microtubos são tubos rígidos como palhetas microscópicas que são ocos no interior. Os microtubos ajudam a manter a forma do neurônio, e são inolvidos na passagem de sinais através do neurônio.
Tau 
Tau é uma proteína que se encontra principalmente nos neurônios do sistema nervoso central. Eles ajudam a manter unidos os microtubos dentro dos neurônios. e quando ocorrem mudanças na forma como as proteínas tau devem funcionar, os microtubos se rompem. As proteínas tau que não mantêm mais os microtubos juntos formam cordões chamados fibrilhas, que depois se aglomeram dentro do neurônio para fazer o que é chamado de emaranhados neurofibrilares. Estes tufos, também conhecidos como "emaranhados de tau", são tudo o que resta após a morte de um neurônio.
| Estágio Braak das mudanças neurofibrilares relacionadas à doença de Alzheimer. Atualmente, isto é usado apenas para fins de pesquisa. |
| Estágio | Neurofibrilares se entrelaçam: | Sintomas |
| I/IIEtapa Transentorhinal | Região transentorhinal e região entorhinal | Sem sintomas |
| III/IVEtapa Límbica | Formação hipocampal e partes do sistema límbico e da amígdala | Início da doença de AlzheimerDificuldades cognitivas : problemas de memória, cognição espacial |
| V/VII etapasocortical | Ao longo do córtex cerebral | Demência: doença de Alzheimer totalmente desenvolvida |
Beta-amilóide 
As placas Beta-amilóide (Aβ) (também chamadas de 'amilóide beta') começam com uma proteína chamada proteína precursora de amilóide (APP). A APP é uma das proteínas que compõem a membrana ou cobertura externa de uma célula, que protege a célula. Neste caso, um neurônio. Como é feito no interior da célula, a APP se mantém para fora através da membrana da célula.
Em diferentes partes da célula, incluindo a parte mais externa da membrana celular, produtos químicos chamados enzimas cortam o APP em pequenos pedaços. Estas enzimas que fazem o corte são alfa-secretase, beta-secretase e gama-secretase. Dependendo de qual enzima está fazendo o corte e quais partes do APP são cortadas, duas coisas diferentes podem acontecer. Uma que é útil e outra que provoca a formação de placas beta-amilóides.
As placas são formadas quando o beta-secreto corta a molécula APP em uma extremidade do peptídeo beta-amilóide, liberando o sAPPβ da célula. Em seguida, a gama-secretase corta os pedaços de APP que restam e, ainda permanecendo fora da membrana do neurônio, na outra extremidade do peptídeo beta-amilóide. Após este corte, o peptídeo beta-amilóide é liberado no espaço fora do neurônio e começa a aderir a outros peptídeos beta-amilóides. Estas peças se colam para formar oligômeros. Oligômeros diferentes de vários tamanhos estão agora flutuando nos espaços entre os neurônios, que podem ser responsáveis por reagir com receptores em células e sinapses vizinhas, afetando sua capacidade de funcionamento.
Alguns desses oligômeros são liberados do cérebro. Aqueles que não são removidos do cérebro juntamente com mais pedaços de beta-amilóide. À medida que mais pedaços se aglomeram, os oligômeros ficam maiores, e o tamanho seguinte é chamado de protofibrilas e o tamanho seguinte é chamado de fibrilas. Depois de um tempo, estas fibrilas se aglomeram junto com outras moléculas proteicas, neurônios e células não nervosas que flutuam no espaço entre as células e formam o que são chamadas placas.
Angiopatia amilóide cerebral (CAA)
Depósitos de beta-amilóide também se formam nas paredes (na camada média da túnica, na camada média, e na camada externa da túnica adventícia ou túnica externa) de artérias pequenas e médias (e às vezes veias) no córtex cerebral e nas leptomeninges (as leptomeninges são as duas camadas internas - pia mater e aracnoidea - das meninges, uma membrana protetora de 3 camadas cobrindo o cérebro).
O CAA é encontrado em 30% das pessoas com mais de 60 anos de idade que não têm nenhuma demência, mas é encontrado em 90%-96% das pessoas com doença de Alzheimer e é grave em um terço a dois terços desses casos.