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第四种类型的疼痛是神经性疼痛。不论从哪一方面来讲，神经性疼痛都是所有疼痛类型中最严重的一种疼痛。神经性疼痛是由神经系统本身的损伤引起的，即原本负责处理痛觉信息的神经系统的功能发生了改变
。重要的是，伤害性疼痛会在伤害性刺激结束时完全消失，然而在神经性疼痛发生后，自发痛仍然会持续很长一段时间。值得一提的是，很多神经性疼痛的患者都有疼痛病史。
与神经性疼痛和功能失调性疼痛相类似的是，疼痛信号在周围神经系统和中枢神经系统中都会被显著放大。许多疾病或者不同类型的神经系统损伤都可能会诱发神经性疼痛，包括神经创伤（如因外科手术等）、神经受压（如来自颈部或椎间盘的压迫等）、有毒化学物质（如化疗药物等）引起的神经毒性损伤、嗜神经病毒（如水痘-带状疱疹病毒等）感染等。
2012年春季末，加利福尼亚大学旧金山分校的疼痛研究人员艾伦·巴斯鲍姆（Allan Basbaum）和若昂·布拉兹（Joao Braz）报道了神经性疼痛和炎症性疼痛之间存在明显的差异。他们的研究团队将一种胚胎细胞移植到患有神经性疼痛的小鼠体内，该胚胎细胞能产生化学性止痛剂（即GABA，γ-氨基丁酸）。结果发现，移植的胚胎细胞极大地缓解了小鼠的神经性疼痛，但是并不影响炎症性疼痛。