Les structures chimiques des grandes drogues psychédéliques comme la mescaline, le LSD, la psilocine, sont similaires avec celles de neuromédiateurs comme la sérotonine, la neurodrénaline et la dopamine.
Le LSD et la sérotonine ont deux anneaux de leur structure identiques et la chaîne latérale liée à ces anneaux de la sérotonine est similaire à une partie de la molécule de LSD. La structure de la mescaline est proche de celle de la noradrénaline ou de la dopamine et de la sérotonine.La psilocine et la psilocybine ainsi qu’un autre composé psychédélique, la dyméthyltryptamine ou DMT sont très proches chimiquement de la sérotonine.
On peut donc en déduire que ces drogues ont une action impliquant la sérotonine. En effet, elles modifient le fonctionnement du locus coeruleus et des neurones glutamatergiques du néocortex par des mécanismes impliquant la neurotransmission sérotoninergique centrale.
D’une part, le LSD et la psilocine inhibent l’activité électrique des neurones du raphé qui sont des neurones à sérotonine en activant les autorécepteurs 5HT1a. Ces substances ainsi que la psilocybine et la DMT font baisser les décharges à sérotonine. Par contre la mescaline agit ainsi de façon irrégulière. Mais cette action ne suffit pas pour obtenir des effets psychédéliques.

Toutes les drogues psychédéliques activent un autre type de récepteurs à la sérotonine, le récepteur 5HT2 qui est excitateur, agissant ainsi principalement sur le néocortex et sur le locus coeruleus. Le locus coeruleus est un noyau qui regroupe l’essentiel des neurones noradrénergiques centraux. Il reçoit les influx sensoriels, somatiques et viscéraux, qu’il transmet à l’ensemble de l’encéphale grâce aux ramifications de ses axones. Via les récepteurs 5HT2 présents sur les interneurones GABAergiques et glutamatergiques qui modulent le fonctionnement du locus coeroleus, les substances psychédéliques inhibent les influx somatiques et viscéraux et au contraire amplifient l’influx sensoriel. Pour cela elles stimulent les interneurones GABAergiques et augmentent ainsi la libération de GABA dans le locus coroleus provoquant donc l’inhibition des influx somatiques et viscéraux. Inversement elles activent les interneurones glutamatergiques par l’intermédiaire des récepteurs NMDA et renforçent les influx sensoriels.
Ces informations sensorielles modifiées et amplifiées sont ensuite transmises au néocortex où la neurotransmission glutamatergique est alors modifiée. Au sein du néocortex les drogues psychédéliques activent les récepteurs 5HT2, accroissant la libération de glutamate et stimulant ainsi les neurones pyramidaux, provoquant la distorsion des sens.En plus de l’effet sur le néocortex, l’activation du locus coeruleus provoque une libération puissante et organisée de noradrénaline sur des récepteurs a1 par les terminaisons des neurones glutamatergiques. La stimulation des récepteurs noradrénergiques accentue, comme les récepteurs 5HT2, la libération de glutamate sur les neurones pyramidaux.

"L’effet à la fois stimulant et hallucinogène de l’ecstasy, une drogue synthétique aussi appelée MDMA, lui vient de sa structure moléculaire proche des amphétamines et du LSD. Comme les amphétamines ou la cocaïne, l’ecstasy bloque les pompes à recapture de certains neurotransmetteurs, augmentant ainsi leur présence dans la fente synaptique et leur effet sur les récepteurs des neurones post-synaptiques. Tout en potentialisant aussi l’effet de la noradrénaline et de la dopamine, l’ecstasy se distingue des autres psychostimulants par sa forte affinité avec les transporteurs de la sérotonine. On assiste donc dans un premier temps à une libération accrue de sérotonine par les neurones sérotoninergiques. L’individu peut alors ressentir un regain d’énergie, une euphorie et la suppression de certains blocages ou interdits dans les relations avec les autres. Quelques heures après, on assiste à une diminution de la sérotonine qui est amplifiée par la baisse d'activité de la tryptophane hydroxylase, enzyme responsable de la synthèse de sérotonine, réduction qui peut être beaucoup plus prolongée que celle de l’augmentation initiale de sérotonine. Encore une fois, on constate que l’augmentation artificielle d’un neurotransmetteur exerce une rétroaction négative sur l’enzyme chargée de le fabriquer. Résultat : quand cesse l’apport extérieur de la drogue, l’excès se traduit en manque.
Comme toutes les drogues psychoactives procurant une sensation de plaisir, l’ecstasy augmente également la libération de dopamine dans le circuit de la récompense. De plus, la sérotonine additionnelle produite par l’ecstasy excite indirectement les neurones dopaminergiques par les neurones sérotoninergiques qui y font des connexions.
La toxicité de l’ecstasy chez l'homme n'a pas été clairement établie même si chez l'animal on sait que des doses élevées chroniques de MDMA amènent une destruction sélective des terminaisons sérotoninergiques."