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在神经科学快速发展的大背景下，疼痛的神经生物学机制研究在近十多年来取得了快速发展，继续有力地推动针刺镇痛机制研究：不仅关注急性痛，更关注慢性痛；不仅关注外周敏化，更关注脊髓和脑的中枢敏化；不仅关注单个神经元，也关注神经网络。针药结合镇痛的机制在这些方面也取得了长足的进步。
针药结合镇痛的研究，由20世纪针刺麻醉（针麻）发展而来。针药复合麻醉（即针刺与小剂量麻醉药、镇痛药合并应用），是针药结合治疗急性痛的代表。手术本身造成组织创伤，导致疼痛和应激反应，麻醉药在发挥镇痛、镇静、稳定循环呼吸功能等作用的同时，也造成脏器功能损害、免疫抑制等副作用。针药复合麻醉减少了麻醉药物的用量，削减其不良副作用，同时增强了机体自身对手术应激的良性调整作用。
脊髓背角是躯体信息传入的初级中枢，存在于脊髓背角神经元和星形胶质细胞的CX3CL1与其在小胶质细胞上的唯一受体CX3CR1信号通路介导了神经元到小胶质细胞之间的信息传递，并广泛参与慢性痛的发生和发展，李超等人首次揭示了CX3CR1在术后疼痛和针药复合麻醉中的作用：足跖切口术后疼痛发展过程中，CX3CR1的蛋白水平在术后3天显著增高，针药复合麻醉对CX3CR1蛋白表达水平未见显著影响。CX3CR1基因敲除小鼠足跖切口术后3天机械痛阈较野生型C57BL/6J小鼠明显升高，但针药复合麻醉的镇痛作用消失；小鼠鞘内注射CX3CR1中和抗体同样可翻转针药复合麻醉的术后镇痛作用。以上结果提示，脊髓小胶质细胞中的CX3CR1参与足跖切口痛和针药复合麻醉术后镇痛作用。CX3CR1既参与切口术后痛，又在针药复合麻醉的镇痛中发挥作用，这似乎是矛盾的。可能的解释是CX3CL1/CX3CR1信号通路具有双向调节作用。CX3CL1作为一种双向调节因子，在高浓度时，可以增加脂多糖所引起的IL-23和TNF-α的表达；低浓度时可以明显地减少LPS引起的巨噬细胞TNF-α的释放以及ERK1/2和NF-κB的磷酸化。因此，CX3CR1对切口痛和针药复合麻醉的双重作用，可能与手术和针刺过程中释放的CX3XL1的量密切相关，需要进一步追踪。
针药复合麻醉在很多临床手术中，相比于传统全麻手术，能够降低手术中的应激反应，调节机体免疫功能，但详细的作用及机制还鲜有报道。有研究分析针药复合麻醉后小鼠外周血及脾中淋巴细胞、中性粒细胞、骨髓来源的抑制性细胞（MDSCs）、腹腔巨噬细胞数目变化及T、B细胞的活化，发现针刺可以诱导具有负性调控作用细胞Treg、MDSCs的数目增多，并抑制CD 4+ T细胞活化及增殖，但对CD 8+ T细胞未见到抑制作用，提示针刺在手术条件下对免疫细胞活化和增殖具有负调节作用。
在针麻的作用机制方面，有一种学说认为，术前针刺预处理，这时针刺引起的神经冲动先期到达脑（主要是丘脑）的神经元，使之兴奋。其后，外科手术引起的伤害感受信号也到达丘脑感觉神经元。由于后者到达较晚，不再能兴奋丘脑的感觉神经元，因此使手术引起的疼痛有所减轻。这种根据神经冲动到达中枢先后顺序不同的说法，或许可以部分解释针刺的镇痛原理。略为欠缺的是，按照这一学说，针刺镇痛应该是立即起效，在毫秒级的时间尺度上发挥作用。但针刺镇痛的临床实际经验是，在术前就先行刺激（称为“诱导期”），持续30分钟左右才能充分发挥作用。另有一种学说认为，从同一个脊神经节段支配的皮肤发出的传入冲动，可以通过粗纤维（主要传递触觉信号）或细纤维（主要传递痛觉信号）到达脊髓。粗纤维传递的信号先期到达脊髓，应该可以抑制细纤维的信号传递。具体到针刺镇痛机制：针刺的信号主要由粗纤维传递，手术切口的伤害信号主要由细纤维传递，针刺的信息（酸、麻、胀、重等“得气”感）抑制了手术创伤引起的疼痛，这是疼痛“闸门控制理论”的具体应用范例。但实际上，这一机制可以解释针刺在同一个脊髓节段发挥的镇痛作用，而难以解释针刺手上的合谷穴，或下肢的足三里穴，可以引起全身性镇痛的客观事实，因而针灸镇痛的机制还有很长的路要走。
外周敏化和中枢敏化是慢性疼痛的神经病理机制。炎性疼痛在外周水平的机制主要在于炎性反应介导的免疫反应和伤害性感受器痛觉敏化之间的相互作用。组织损伤和炎性反应介导神经免疫反应，并释放炎性介质（促炎因子包括IL-1、IL-6、TNF-α等，抗炎因子包括IL-4、IL-10、TNF-β等），这些因子并与伤害性感受器末端相应的受体结合，持续的炎性刺激可使伤害性感受器发生痛觉敏化。电针正是通过介导免疫细胞和伤害性感受器之间的相互作用，促进内源性阿片肽、腺苷等介导的抗炎性疼痛的作用，抑制免疫细胞释放的促炎因子。研究证实，针药并用一方面能抑制局部痛敏状态，降低局部促炎因子如IL-1β、IL-8含量，另一方面，能通过ERK-CREB信号途径减少伤害感受器辣椒素受体TRPV1的磷酸化，缓解机体对吗啡的耐受，从而减少其药物摄入，避免药物成瘾。二甲双胍是经典降糖药，其潜在的镇痛效应受到广泛关注，有研究提出二甲双胍可通过激活自噬缓解术后疼痛，亦可以通过激活AMPK抑制星形胶质细胞中c-Jun氨基末端激酶（JNK）来调节缝隙连接功能，进而改善骨癌痛，最新研究表明，针刺与二甲双胍联用可以提高痛阈，对炎症性疼痛模型小鼠发挥协同镇痛的效应。尽管腺苷作为一种内源性神经调质，调节多种病理、生理过程，全身或脊髓给予腺苷可有效抑制病理性疼痛，二甲双胍与电针协同镇痛作用，却与局部腺苷无关，参与协同镇痛过程的可能是穴位局部AMPK受体。
中枢敏化是慢性疼痛的神经病理机制之一，其结构基础是神经元突触可塑性发生改变，其中兴奋性递质谷氨酸（Glu）、P物质（SP）及脑源性神经营养因子（BDNF）对慢性炎性痛的形成和维持起着重要作用。芬太尼是临床上常见的阿片类镇痛药，属于μ受体激动剂，该类阿片受体以高浓度存在于脊髓背角、导水管周围灰质、蓝斑、延髓腹侧等感觉神经元的突触前膜，激活后可阻断电压门控的钙通道，抑制兴奋性神经递质Glu的释放并阻止传递，突触后神经元钾离子通道开放，引起超极化并降低神经元兴奋性。研究证实，完全弗氏佐剂（CFA）关节炎大鼠模型痛敏分数、脊髓（L4-6）谷氨酸含量和患侧腰髓背角SP、孤啡肽（OFQ）mRNA及脑源性神经营养因子（BDNF）mRNA表达明显增高，采用电针、鞘内注射芬太尼和鞘内注射芬太尼联合电针的干预方式，结果表明电针联合鞘内注射芬太尼在干预第三天就明显改善模型大鼠的痛敏，二者结合应用，不仅在时间上起效早于各个单独处理组，而且效果持久，提示针药之间存在着时间上的协同作用。对脊髓谷氨酸、P物质、孤啡肽（OFQ）及BDNF的改善也明显优于单用电针和单用芬太尼，说明鞘内注射芬太尼加强了电针的镇痛作用，针药合用减轻了慢性炎性痛所致的中枢敏化作用。
中枢存在着内源性下行痛觉调制通路，对来自皮肤、内脏及其他组织的伤害性刺激进行调制。中枢下行痛觉调制系统主要由中脑导水管周围灰质（PAG）、延髓头端腹内侧结构（RVM）和一部分中脑、脑桥背外侧被盖（如蓝斑核群等）神经元组成，其轴突经背外侧束下行对延髓和脊髓背角痛觉感受性信息的传入进行调节。下行痛觉调制系统包括下行抑制系统（descending inhibition）和下行易化系统（descending facilitation）。当伤害性刺激作用于机体，抑制系统和易化系统通过不同的机制同时被激活，共同调控脊髓背角神经元兴奋性，从而抑制或促进伤害性信息的传入。下行痛觉调制系统涉及众多的神经递质系统，如5-羟色胺（5-serotonin，5-HT）系统，去甲肾上腺素（noradrenaline，NA）系统及阿片系统。对针刺镇痛的机理研究表明，针刺是通过调整机体内源性痛觉调制系统而起镇痛作用，内阿片肽、NE、5-HT等及其相应受体在针刺镇痛过程中起重要作用，药物与电针合用可以加强电针的镇痛效果，这些药物包括阿片受体激动剂、多巴胺受体抑制剂以及5-HT释放促进剂等。曲马多是一种“非典型”阿片类中枢镇痛药物，对术后伤口痛、神经痛等多种慢性疼痛均有镇痛作用。曲马多与阿片受体亲和力比吗啡低6000倍，但镇痛作用只比吗啡低5-10倍，提示曲马多具有其他作用机制。曲马多的非阿片镇痛机制主要是促进单胺类神经递质5-HT和NE的释放并抑制突触间隙5-HT和NE重吸收，从而起镇痛作用。曲马多和电针均是通过阿片肽系统和5-HT系统起作用，两者合用时曲马多能加强电针镇痛，从而达到更强的镇痛效果，cAMP-PKA信号转导系统可能介导这一过程。
神经病理性疼痛（neuropathic pain，NPP）是指周围或中枢神经系统原发或继发性损害或功能障碍引起的疼痛，自发痛以及痛觉过敏是其主要病理特征。引起NPP的常见原因有中枢损伤或疾病（如脊髓损伤）、周围神经系统损伤或疾病（如三叉神经痛）、代谢紊乱（如糖尿病性神经痛）、感染（如带状疱疹后神经痛）等，其机制涉及阿片肽、5-羟色胺、细胞因子、嘌呤受体等，各个因素之间相互影响。阿片肽可使外周伤害感受器敏感化，降低外周神经系统的促炎症因子，亦可激活中枢5-羟色胺从而参与下行抑制系统。激活的小胶质细胞能够促进神经组织修复，分泌抗炎性因子及生长因子保护神经元，持续激活的小胶质神经细胞释放致炎因子，促使疼痛产生。针灸激活自身机体功能，促进阿片肽释放、双向调节5-羟色胺分泌、调控兴奋性氨基酸与抑制性氨基酸的动态平衡，从而实现多层次、多靶点的调节。
促炎细胞因子与疼痛性疾病密切相关，而抗炎细胞因子可以有效地缓解这些患者的疼痛，这些细胞因子的重要作用在不同的神经源性疼痛动物模型中都得到了证实。金氏等人的研究提示，电针联合中药身痛逐瘀胶囊在提高坐骨神经痛模型大鼠热痛阈的同时，能抑制脊髓组织中促炎性因子TNF-α、IL-1β和IL-6表达。曲马多是一种非典型阿片类中枢镇痛药物，对术后伤口痛、神经痛等多种慢性疼痛均有镇痛作用。王颖等人观察针药结合对神经病理性疼痛大鼠模型的抗炎作用，结果发现，与单独使用曲马多和电针相比，针药联合治疗能有效降低冷板抬足次数和提高50%缩爪阈值，达到更强的镇痛效果；进一步探索其脊髓机制发现，模型组大鼠脊髓的炎症因子TNF-α、IL-lβ、PGE2等水平均明显升高，治疗第3天针药联合效果明显优于单独应用电针或曲马多，提示针药结合可以快速起效；电针、曲马多、曲马多联合电针治疗都可以促进抗炎因子IL-10的释放，而曲马多联合电针治疗比单独使用电针或曲马多更能促进IL-10的释放，提示电针可以增加脊髓中IL-10的水平，并与曲马多具有协同作用。针刺除激活中枢神经系统内源性阿片系统外，也存在其他非阿片系统途径，可通过兴奋不同类型的神经纤维、调节神经递质的释放达到镇痛效应，减少脊髓损伤后星形胶质细胞增生，促进内源性神经生长因子的合成。曲马多可通过与阿片受体结合，激活阿片系统产生镇痛作用，同时对去甲肾上腺素和5-羟色胺两条下行痛觉抑制型传导通路有影响。二者很可能通过这一系统发挥协同效应。
近年的研究表明，胶质细胞在病理性疼痛的产生和维持中起重要作用，胶质细胞膜上存在许多离子通道和神经递质受体，并产生许多神经活性物质，参与慢性疼痛过程。Toll样受体家族（Toll-like receptor，TLRs）在人类中枢神经系统中广泛表达，是胶质细胞膜并行使免疫功能的信号转导受体，其中TLR4是TLRs家族的一员，主要在巨噬细胞、多形核白细胞和树突状细胞表达，参与机体天然免疫，具有控制激活小胶质细胞和调节功能的作用。在脊髓水平，当外周神经受损后，小胶质细胞被激活，给予小胶质细胞功能抑制剂，则可抑制痛觉发生，提示小胶质细胞的激活是痛觉产生的重要的物质基础。针对癌痛动物模型，有研究采用镇痛贴和电针联合镇痛贴进行比较，发现与镇痛贴组相比，联合电针改善发性运动疼痛评分更加明显。癌痛动物模型的Toll样受体4和小胶质细胞标志物CD11b的mRNA表达水平和蛋白表达水平均明显增高，镇痛贴组和电针联合镇痛贴可使其降低，联合电针则降低更加明显，提示抑制脊髓小胶质细胞的活化，使其TLR4表达减少，是针药结合调节疼痛中枢敏化现象的机制之一。
星形胶质细胞也在疼痛的产生和维持中发挥关键作用。星形胶质细胞可分泌多种细胞因子和生长因子，改变周围的神经化学环境，参与痛觉信号的传递，而活化的星形胶质细胞则可通过释放多种神经活性物质影响神经元可塑性，促进初级传入终末释放多种致痛物质（如IL-1β、神经生长因子NGF等），从而引发痛增强反应。已有证据表明各种骨癌痛模型都能观察到脊髓背角星形胶质细胞的大量活化。针对骨癌痛大鼠，电针、吗啡及电针结合吗啡治疗均能减轻热痛觉敏化，且电针结合吗啡的治疗效果要明显优于单纯的电针或吗啡治疗。电针及电针结合吗啡治疗均能够抑制脊髓背角星形胶质细胞活化标记物胶质原纤维酸性蛋白（GFAP）的表达，即抑制星形胶质细胞的活化，而吗啡作用不显著，因此脊髓星形胶质细胞很有可能是针药结合缓解癌性痛的潜在靶点。致炎性细胞因子IL-1β被认为是持久性疼痛的重要诱发因素之一，在神经性疼痛和炎性疼痛的模型中均存在调节作用，脊髓中IL-1β水平的增加可能与骨癌痛的持续状态有关，而NGF参与了疼痛的病理生理过程，通过影响炎症介质的释放、离子通道的开放及促进神经纤维的生长导致疼痛，抗NGF处理可明显降低动物对炎性刺激及疼痛的反应，电针和电针结合吗啡均有抑制大鼠胫骨癌痛诱发的脊髓背角IL-1β和NGF表达的作用，因此电针和电针结合吗啡对骨癌痛大鼠的痛觉敏化有显著的抑制作用，可能是通过抑制脊髓背角星形胶质细胞的活化，引起合成和释放的致炎性细胞因子IL-1β和神经活性物质NGF的减少，以调节疼痛中枢敏化现象，起到缓解骨癌痛的作用。
骨癌痛为机制复杂的慢性疼痛，电针对骨癌痛的镇痛也是从多环节、多因素来发挥作用的。对电针抑制脊髓星形胶质细胞活化相关的镇痛机制有待进一步的探索和深入研究，从而更好地阐明针灸治疗骨癌痛的作用机制。