Neurodegenerativní choroby jako Alzheimerova choroba, Parkinsonova choroba, sclerosis multiplex, amyotrofická laterální skleróza, Huntingtonova choroba, schizofrenie a tardivní dyskineze jsou spoluzpůsobeny volnými radikály a reaktivními kyslíkovými radikály v mozku. Tyto choroby jsou obtížně léčitelné nebo neléčitelné.
Jednou z příčin je jednak to, že bývají diagnostikovány poměrně pozdě, kdy změny v mozku způsobené volnými radikály jsou již pokročilé. Antioxidanty, které by mohly bránit vzniku volných radikálů, se těžko dostávají přes mozkomíšní bariéru, a navíc ne každý antioxidant účinkuje na kterýkoliv volný radikál.
Potenciálními pro terapii a prevenci by mohly být směsi antioxidantů jako karotenoidy, vitaminy A, C, redukovaný glutathion, pyridoxin, selen, rutin, L-karnosin, kyselina alfa-lipoová, superoxiddismutáza, kataláza a některé další.