也许脑干中与疼痛有关的最典型的神经解剖结构是三叉神经系统。三叉神经核群复合体分布于中脑、桥脑和延髓，甚至向下延伸至上段颈髓。其中包括二个感觉核团和一个运动核团。感觉核团是中脑核团，沿大脑导水管分布，功能上与本体感受有关。i 二要的感觉核团位于桥脑，接受感觉和压力的冲动，包括一些疼痛的冲动：一个狭长变细的脊束核和下降核，下降至q 颈椎节段并与颈髓的胶状质相融和。脊髓内核团常与疼痛的传导相关。运动核团也位于桥脑，通过与脊髓内核团的反射联系可以对面部有害刺激反应产生咀嚼肌的活动（例如咬紧下领或牙齿的卡嗒作响）。
感觉神经核接受从在颅中窝的梅克尔室（Meck - ．通室）中三叉神经半月神经节假单极神经元的输人。神经节的外周突通过眼、上领和下领的三叉神经分支而分布于耳前面部的这些区域。所有这些区域通过它们的分支传导疼痛。其中某个区域的刺激性病变可以在患者产生一个严重的短哲的疼痛，称为共叉神经痛。下领区最易受累，患者仁述从下唇和下领产生的巨痛。疼痛非常剧烈，使患者无法忍受以至丁会产生自杀念头。
神经节的假单极细胞的下降纤维通过脑桥和延髓沿着脊髓核的侧方下降。它们下降到脊髓核的次级细胞突触时进人脊髓核，也会下降至味脊髓节段的尾侧。
脊髓核被描述为具有一个头侧部分，被称为嘴侧核，一个尾侧部分，被称为尾核，和一个中问部分，被称为中间核。该核团看起来分为几层或呈头一尾和背一腹侧的结构方式。嘴侧核部分主要是由次级神经元组成，接受从三叉神经下领支分布区的疼痛冲动，而尾核主要接受从眼支分部区的信号。因此分层代表面部的神经支配。上颈髓的病变有时引起面部的眼支分布区域的疼痛或疼痛缺失，并伴有脊髓病变的其他表现。
次级纤维一般起自延长的脊髓核的神经元并向尾侧延伸，并且越过中线。当他们越过脑桥和延髓的中线，则被称为腹中央三叉神经束，并且从解剖和生理上与起源于初级感觉核面传导触觉和压力的初级冲动的纤维分离。这些纤维一部分也越过中线，作为中央三叉神经背束卜升到丘脑。起源于主要感觉核团的其他纤维也越过中线并民沿同侧上升。因此，触觉和压力觉冲动是双侧的，代表着1 ：述的主要感觉核团的定位。而疼痛传导纤维只能在对侧发现。触觉和压力觉在脑干病变的患者可能会正常存在，这是由J 屯它的双侧性，而疼痛 传导通路则不然。作为都是上传到丘脑的通路，它们被统称为二叉丘脑通路。在中脑尾侧它们非常接近内侧丘系，在解剖上难以相互区别。内侧丘系位于中脑侧方、下丘脑水平之l : ，是听觉中继核团；在此水平以上，二叉丘脑束或丘系纤维易于受到伤害：由于硬脑膜形成切迹以使脑干通过，它们可能会被硬脑膜锋利和坚硬的边缘切断或压迫。如果任何情况例如某些形式的创伤而使中脑突然移位，那么位于形成切迹的床形突嘴端的小脑幕，则会沿中脑外侧表面延伸而形成难以应付的情况。脑膜瘤在此部位可以缓慢地压迫侧方的内侧丘系，起初二叉神经纤维通过刺激产生疼痛，而以后逐渐地由丁压迫缓慢地损伤产生冲动的轴突的完整性而引起面部对侧疼痛缺失。内侧丘系损害产生的缺失将是有意识地本体感觉的缺失：位置觉、二点辨别觉和振动觉。三叉丘脑通路的次级痛觉和触觉轴突终止于丘脑的后脑正中核群。这和系统发生模式相一致：神经系统中越占老的结构位于越好的位置，也就是说，它们更位于中央。有关头颈部的大多数神经结构在系统发生学中更占老一些并且比那些作用于身体其他部位的结构更位于中央。

丘脑

令我们感兴趣的丘脑核群的两部分位于后基底复合体；腹后外侧和腹后内侧核团。他们主要和疼痛冲动的感觉和完整性有关，这些冲动分别来自身体和面部。在冲动到达这些基本目标后，其他一些丘脑核团也参与其中，但哪些核团，达到什么程度目前不清楚。疼痛可以在丘脑被有意识地觉察出来，然而不如在皮层那样完全。丘脑的疼痛察觉是一种低水平的判断。丘脑趋向于将所有进人的刺激同步化并且将它们以特定的顺序向大脑皮层传递。否则，我们觉察到的大量的信号将会导致神经混乱。
丘脑疾病也被大量报道。庄脑综合征可以对不同刺激产生放大作用，以致于许多不正常的非伤害性刺激，例如将汤匙放在唇边，可以被当作种非常痛苦的感觉。患者会尽最大努力以避免暴露于这些刺激之’「，以保护自身远离那些会导致真止疼痛的普通的事情。庄脑综合征被认为是相关核团的血供变化而产生的。血供主要来自大脑后动脉的氏脑纹状体分支。推测血供减弱但不完全消失而由此引起核团功能失常口
网状核位于丘脑内侧和外侧髓板。这些核团投射到不同的丘脑核团并且调节它们的活性。网状核似乎可以增强或抑制丘脑核团以及它们接受的不同的冲动。网状结核也调节通过它的脑干的特殊疼痛传导通路的冲动，即脊髓丘脑束和三义丘脑束。对丘脑的关注因此多集中在特殊的刺激或该刺激可以在脑干和丘脑水平被显著降低上。网状核也接受从皮质起源的皮质丘脑纤维的输人信号。这些纤维位于内囊的前肢。丘脑核团也从这个反馈环路中接受输人信号。皮质因此通过这个反馈环路监视从网状结构和丘脑水平来的人部分的信息。丘脑皮质环路在患者耐受疼痛的不同阂值的能力中起主要作用。

内囊

疼痛刺激和其他一般感觉冲动一起通过内囊的后肢传到大脑皮层。在这里，在脑干水平观察到的神经组织的极度有序性被打破。内囊后肢一般感觉传导纤维的排列很少其有或根本没有次序性。这些纤维与后肢的丘脑侧缘相邻。在这个区域疼痛传导纤维分散传播。内囊后肢的病变可以产生广泛的疼痛缺失或者一般感觉的缺失，这种情况发生在刺激性病变的病例中如出血引起的水肿或出血导致的疼痛。
在每个例子中，这种缺乏将引起诊断学家的迷惑。被刺激的纤维可以表示从膝、肩、手或身体其他的广泛分离的部分的传导。患者确实有非常不寻常的病变的事实可能对定位于内囊病变有帮助。大家应该记得视辐射和听辐射成分通过后肢，也有随意运动系统的皮质延髓和皮质脊髓部分。运动缺失，特别是核上瘫，在这里不需要很精细，然而当面对看起来没有局限性体征的患者时，产生视野缺损的视辐射或者产生听力缺失或幻觉的听辐射可能受到了累积，这也许对诊断有帮助。

大脑皮层

一般感觉冲动，包括疼痛，通过内囊和放射冠投射到大脑皮层的中央后回和后方的旁中央小叶。大脑皮层的其他区域也和疼痛通路有关。中央内侧核被认为将一部分由网状结构传导的疼痛投射到前叶。疼痛也向位于中央后回后部的岛盖部投射。这将表明不仅仅是初级感觉带，许多皮质区也与疼痛相关。作为一种普通感觉，疼痛在这方面是惟一的。内脏疼痛投射到位于侧裂深部的脑岛。脑岛已知与自主神经系统有关，并且可以产生自主反应，例如当受到刺激时会产生恶心和呕吐。
矮人模型，或称“小人模型”，以颠倒的方式位于中央后回。头部位于脑回基底部，身体各部分则不成比例地代表一个人，洽脑回向上移行至上纵裂。例如，膝以下的下肢定位于中央旁回后部表面的中部。半球侧凸的主要部分被大脑中动脉及其分支所供养，这将包括中央后回的大部分。然而，脑回的上部被人脑前动脉所供养，中央后回亦然。
岛盖顶部和脑岛与前叶侧部一样也被大脑中动脉分支所供养。大脑前和中动脉是大脑前部循环的成分，也是颈内动脉的直接终末分支。值得提及的是与疼痛的分析性认识有关的大脑区域被颈内动脉的2 个不同分支所供养，而与疼痛的相对粗略但有意识的认识有关的某些丘脑核团则被大脑后动脉的分支供养。
丘脑中继核团与疼痛投射有关，主要以点对点的基本方式投射到皮层内特殊区域。如果核团被损毁，那么该核团轴突所投射的特殊区域的皮层神经元会发生变性。

丘脑发出的疼痛纤维投射到中央后回皮层细胞的第4 层、中央旁小叶后部和岛盖顶部。在这里冲动为了进一步的整合而首先传导至更表浅的皮层上。在感觉皮层中，第4 层或颗粒层以外的皮层也许对处理传至大脑皮层该区域的信息更有意义。因为他们更表浅，与深层相比，在头盖骨内更易受到某些形式的损伤，产生障碍（例如在哺乳动物新皮层的5 、6 层）。
因此疼痛和其他一般感觉的冲动为了整合而传递到同侧的顶叶上部。这意味着对刺激的决定性的认识以及某些特殊身体部位，刺激往往通过它们而在皮层的其他区域被察觉，也许与以个体过去的经历为基础的不同的个体特异性有关。