头痛是因颅内外组织结构中的痛觉神经末梢，即痛觉感受器受到物理性的(如炎症、损伤或肿物的压迫)或化学性的(如去甲肾上腺素、 5-羟色胺、缓激肽等)致病因子的刺激，产生异常神经冲动，经痛觉传导通路传达到中枢神经系统最终至大脑皮层而产生的。
（一）颅脑的结构组织
人的头颅是由很多块扁平骨构成的一个圆形骨腔，称为颅腔。颅腔由外向内分别覆盖着头皮、皮下组织、帽状筋膜、血管、神经及紧贴颅骨表面的骨膜，这些结构统称为软组织；颅腔内有脑膜、脑组织、血管及神经。脑膜由外向内分为硬脑膜(紧贴颅骨内面)、蛛网膜及软脑膜(紧贴脑表面)，在蛛网膜与软脑膜之间有一个腔隙，称蛛网膜下腔，其间充满对大脑起保护作用的脑脊液。脑组织又分为大、小脑和脑干，大、小脑之间由小脑幕(天幕)分开。脑干外形象一个细长的小"葫芦"，穿过小脑幕裂孔与大、小脑相连，向下延续与骨髓相连，是导信息的神经纤维和一些神经中枢集中之处，是脑组织中最重要的部分，颅腔底部有数个大小、形态不同的骨孔，内有神经、血管通过，使全身与大脑相连。
(二)颅内外对疼痛敏感的结构
颅内外各种组织因含痛觉神经末梢多少和性质的不同，可分为疼痛敏感的组织与不敏感的组织两类。头痛主要是因为痛觉敏感组织受刺激造成。
如果以头颅骨为界线，把头部分成颅内和颅外两部分，我们可以将下述结构称为对疼痛敏感的结构：
1．对疼痛敏感的颅内结构：(1)静脉窦以及引流到静脉窦的大静脉近端。(2)颅底部的硬脑膜。(3)支配硬脑膜的动脉。(4)组成颅底动脉环的大动脉。(5)三叉、舌咽和迷走神经。(6)颈段1～3脊髓神经。
2．对疼痛敏感的颅外结构：(1)头皮、皮下组织、帽状腱膜、颅底部的骨膜。(2)颅外动脉，以颞浅动脉、枕动脉和耳后动脉最为敏感。(3)头面部和颈部肌肉：主要为双侧颞肌和后颈部肌肉。(4)颅外末梢神经：如眶上神经、耳颞神经、枕大神经、枕小神经和耳大神经等。(5)其他组织：鼻腔、副鼻窦粘膜、外耳、中耳、牙髓等部位都有丰富的神经末梢，对疼痛刺激敏感。而颅骨、大部分软脑膜、全部的脑实质、脑室、室管膜以及脉络丝等均不会产生疼痛。
（三）颅内、外结构的神经支配及疼痛部位
颅内、外各种痛敏结构感受疼痛刺激所产生的神经冲动，必须经过相应的神经纤维传导到中枢神经系统，最终传至大脑皮层进行分析、整合才能产生痛觉。
1．颅外各种结构的疼痛主要由三叉神经、上部颈神经传导，一部分由舌咽神经和迷走神经传导。
2．颅内的神经支配由三叉神经、舌咽神经、迷走神经、颈1-3神经根及大脑动脉周围的交感神经丛组成。
(1)颅前窝、颅中窝及小脑幕上的组织由三叉神经支配，因此疼痛常表现在前额、眼眶以及颞部。颅后窝的小脑幕下的组织受舌咽神经、迷走神经及第1-3颈神经根支配，其疼痛常在枕及颈部。
(2)从第2、3颈神经发出的硬膜上行支，入颅后分布于枕骨大孔附近的硬膜、椎动脉和硬膜后动脉，在桥小脑角部听神经瘤初期，肿瘤的刺激产生的疼痛向第2、3颈神经支配区投射，可产生患侧枕下部局限性头痛。
(3)颅内的颈内动脉、大脑中动脉、大脑前动脉及大脑后动脉等处大血管起始部位的痛觉大部分是由三叉神经感受，一部分来自动脉壁上的交感神经丛，为此，颅内动脉的痛感常向眼眶周围、前额部和颞部放射。
总而言之，通常当小脑幕上对疼痛敏感的结构受到刺激时，疼痛的感觉反映在额、颞部或者顶部，这种痛觉由三叉神经所传导；幕下颅后窝结构所引起的头痛则主要反映在枕部、枕下部以及上颈部，由舌咽、迷走神经及上三对颈神经所传导。
3．面部、眼、鼻腔及副鼻窦、口腔等的痛觉分别由三叉神经的眼支、上颌支和下颌支传
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