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颅内痛觉结构的周围神经纤维随三叉神经眼支进入三叉神经神经节或者是颈1 2、颈神经后根至颈1颈2的脊髓神经节,然后发出神经纤维,至三叉神经血管复合体,换神经元后发出神经纤维,经脑干交叉后投射到丘脑。
当三叉神经节及其纤维受到刺激后,可引P物质、降钙素基因相关的肽和其他神经肽释放更多,活性物质作用于邻近脑血管壁可引起血管扩张而出现搏动性的头痛,还可使血管通透性增加,血管蛋白渗出,产生无菌性炎症,刺激痛觉纤维传入中枢,形成恶性循环。
另外,还存在偏头痛有神经学说、原发性神经功能的紊乱、血管舒张、收缩功能的障碍、视网膜-丘脑-皮质学说等。