A fájdalom okozta szignál a perifériás primer afferenseknek a gerincvelőbe, valamint az érző agyidegmagokba történt belépése és átkapcsolása után számos irányba terjed tova. Megkülönböztetünk akut fájdalom által kiváltott reflexeket (szimpato-adrenális és védekező reflexek), valamint fájdalomingert szállító (nociceptív) agypályákat. Ez utóbbiakat funkcionális szerepük alapján különítjük el: 1. a fájdalom lokalizációja és diszkriminációja a primer érzőkéregben történik, ahol a kontralaterálisan felszálló spinothalamicus pálya végződik. 2. A fájdalom okozta motivációs és emocionális válaszok szerveződése a prefrontalis kéregben történik, ahová több szinaptikus átkapcsolódás után a kétoldali spinoreticulothalamicus pálya vezet ("felszálló reticularis aktiváló rendszer"). 3. A spinoreticularis pálya az agytörzs katekolamin- és szerotonintartalmú magjaiban, valamint az agytörzsi vegetatív központokban levő idegsejteken végződik. 4. A fájdalom által kiváltott stresszválasz, a hypothalamo-hypophysis-mellékvese rendszer aktiválása a spinohypothalamicus pálya révén történik. Az akut visceralis fájdalom útja különbözik a szomatikus fájdalom útjától: több agytörzsi és thalamicus átkapcsolódás után az insulában végződik. Az insulából az integrált visceralis fájdalomérzés (néha csak a fájdalom okozta, nehezen definiálható rossz közérzet) a prefrontalis agykéregbe továbbítódik, ahol emocionális, affektív és - további áttevődés után - viselkedési és vegetatív válaszokat vált ki. A neuropathiás fájdalom neuroanatómiai "útjai" még csak részben ismeretesek. A középagy központi szürkeállományába (PAG) felszálló spinomesencephalicus pálya a fájdalom gátlásában vesz részt. A PAG-ból leszálló rostok agytörzsi átkapcsolódás utána gerincvelő hátsó szarvának fájdalomgát-ló interneuronjait aktiválják, illetve preszinaptikusan gátolják a primer érzőrostok átkapcsolódását a hátsó szarv nociceptív neuronjaira. E pályarendszerben jelentős szerepet visznek az agyi opioidok és endokannabinoidok.