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如果人们要真正地感知疼痛，那么疼痛信号就必须从脊髓背角向上传递到大脑，特别是脑干和丘脑（即所谓的“脊髓丘脑束”），最后到达大脑皮质的相关区域。这样一来，最终人体才会形成疼痛的感知觉
。
首先，当疼痛信号通过脊髓背角时，脊髓背角中的神经细胞的作用就像“闸门”一样，负责直接向上发送疼痛信号或者对疼痛信号进行加工处理。
接下来，一旦疼痛信号到达脑干，脑干便开始向脊髓发送电信号或化学信号（下行调控），以试图阻止疼痛信号传入大脑。事实上，市场上不少的镇痛药（如抗惊厥药、阿片类药物和抗抑郁药），都是通过增强这种对疼痛的下行调控来发挥镇痛作用的。
但是，即使在脑干“试图”抑制疼痛信号传入的情况之下，一些疼痛信号也会继续向上传递，并最终到达丘脑部位。疼痛信号通过丘脑传递到大脑的三个主要区域：顶叶的躯体感觉皮质、边缘系统和额叶皮质。顶叶的躯体感觉皮质负责弄清楚疼痛信号来自身体的哪个部位；边缘系统负责联系疼痛的情绪反应；位于额头后面的额叶皮质负责控制大脑的思维能力，并赋予疼痛意义。这些功能真的非常重要。举个例子，人们很早就了解到，与同样受伤的平民百姓相比，充满了英雄主义和荣誉感的受伤的士兵感觉到的疼痛要轻得多，原因在于前者的疼痛没有被我们赋予高尚的意义。同样地，分娩也会使女性遭受地狱般的疼痛，但有些人却认为这是一段美妙的经历。原因在于至少在这段经历之后，女性遭受的疼痛换来了一个可爱的新生宝宝。