Studien haben gezeigt, dass es bei häufigem Ecstasykonsum schnell zu einer Toleranzentwicklung kommt. Berichten zufolge erhöhen manche Konsumentinnen und Konsumenten ihre Ecstasydosis teilweise auf mehr als 20 Pillen bei einer Konsumgelegenheit. Diese hohen Dosen führen nach dem heutigen Stand der Forschung sehr wahrscheinlich zu Nervenschäden im Gehirn.
Ecstasy bewirkt, dass der Neurotransmitter Serotonin verstärkt ausgeschüttet wird. Das Serotonin wird dabei aus den Speichern der Nervenendigungen (Vesikel) in den so genannten präsynaptischen Spalt frei gesetzt. Nach der Signalübertragung wird Serotonin normalerweise wieder sofort in seine Speicher aufgenommen, doch Ecstasy hemmt gleichzeitig das Enzym, welches die Wiederaufnahme fördert. Es ist somit besonders viel Serotonin lange im synaptischen Spalt verfügbar. Die „Gegenstelle“, d. h. die Nervenzelle, die das Serotoninsignal empfängt, feuert besonders intensiv. Hier haben die typischen Ecstasywirkungen ihren Ursprung.
Nach dem gegenwärtigen Stand der Forschung schädigt Ecstasy langfristig genau diese Struktur, über die es akut wirkt. Die präsynaptischen Nervenendigungen und Prozesse, die mit der Signalübertragung zusammenhängen werden geschädigt, mit dem Ergebnis, dass langfristig weniger Serotonin zur Impulsübertragung vorhanden ist.
Im Erleben macht sich dies bei den Betroffenen in verschiedenen Bereichen der kognitiven Leistungen, d. h. Hirnfunktionen bemerkbar. Insbesondere das Gedächtnis ist davon betroffen, wobei sowohl die Merk- als auch die Lernfähigkeit abnehmen, wovon auch alltägliche Dinge betroffen sein können. Eine Studie hat beispielsweise aufgezeigt, dass Ecstasykonsumierende beim Einkaufen einer zuvor festgelegten Liste von Produkten schlechter abschneiden als Nicht-Konsumierende: Beim Erreichen des Geschäfts hatten sie ein Viertel mehr Dinge vergessen als die Probanden der Kontrollgruppe.
Dabei weisen die Studien darauf hin, dass es eine Dosis-Wirkungsbeziehung gibt: Je mehr Ecstasy konsumiert wird, desto stärker sind die Gedächtnisstörungen.
Zwar können die einzelnen Studien die negativen Folgen nicht zweifelsfrei auf den Einfluss von Ecstasy zurückführen, in der Gesamtschau kommen die Studien aber zu ähnlichen Ergebnissen. Dabei verdichten sich die Hinweise, dass diese Schäden auch nach Absetzen der Droge bestehen bleiben, es somit zu irreparablen Schäden am Gehirn kommt.