目前认为中枢神经内存在痛觉中枢，及与镇痛有关的结构，及各种痛觉信息进行整合、加工的调制系统。在针刺信息和痛觉信息经传入神经进入脊髓后，在中枢神经各级水平通过一定的神经体液和痛觉调制系统的整合加工，使疼痛性质发生变化，使疼痛刺激引起的感觉和反应受到抑制，从而起到镇痛作用。
一、针刺信号的中枢传导
针刺信号由Ⅱ、Ⅲ类纤维携带，进入中枢神经系统。根据神经解剖学知识，脊髓是除头面部以外的各种躯体感觉的初级中枢，而头部的躯体感觉冲动则经由三叉神经感觉支进入脑干的三叉神经脊髓核。后者同脊髓后角在形态上是连续的。在完全性脊髓横贯损伤患者，针刺横断水平以下脊髓所支配的穴位，无论刺激有多强，均不能得气，既无手下针感和主观针感，也不能引导到穴位肌电，表明躯体部位的针刺信号是经由脊髓上升入脑的。
根据神经生理学的大量研究结果，躯体感觉信号的中枢传导径路可归纳为两大系统。一是丘系，包括背索-内侧丘系通路，新脊丘束和脊颈束；另一是丘外系，包括旧脊丘束、脊网束，以及由网状结构行至大脑基底神经节和边缘系统有关脑区的纤维束。来自肌肉、肌腱、关节等处的一部份粗大纤维进入脊髓后，在同侧后索上升至延髓后索核，尔后由后索核神经元发出第二级纤维，组成内侧丘系并汇同新脊丘束和脊颈束纤维，直达丘脑特异性核团。针刺信号是否有可能沿这条途径上升在病变主要累及后索及其邻近区域并不影响针刺镇痛效应；相反，若切断前外侧索则可使针刺效应明显减弱乃至消失，这表明针刺信号可能主要是沿前外侧索上行的。
脊髓的前外侧索大致可区分为外侧部和内侧部两大部份。外侧部主要含粗大纤维，与位置反射及维持姿势的功能密切相关，通常并不进入意识范围。显然，这一部份也同针效没有直接关联。内侧部则含有大量肌神经的Ⅱ、Ⅲ类纤维，它们通过多突触转换后，主要投射到脑干网状结构、中脑中央灰质和丘脑内侧核团，进而抵达大脑基底神经节和边缘系统有关脑区。在病变主要累及脊髓前连合的脊髓空洞症患者，临床特点表现为节段性的痛、温觉障碍，针刺病变区的穴位，针感和肌电明显减弱，并和病变的严重程度平行。大量动物实验研究结果则显示：体表穴位的针刺刺激，可使上述脑区的一些神经元发生兴奋；换言之针刺信号可抵达这些脑区。尤其是网状结构和中缝核群的神经元，大多数均可被穴位的针刺信号或外周肌神经和皮神经中的Ⅱ、Ⅲ类纤维所激活。据此可以认为，来自穴位的针刺信号主要是经由丘外系上行传送的，并且可能同痛信号的传导径路密切相关。二、针刺信号和痛信号的相互作用
现代神经生理学的研究结果表明，粗神经纤维的兴奋可导致对细纤维活动的抑制。这已被承认为神经生理学的一般原则，并被有效地应用于临床某些痛症的治疗。既然针刺信号是由较粗的(Ⅱ、Ⅲ类)纤维传导，而痛信号则是由较细的(Ⅲ、Ⅳ类)纤维传导，而且它们经由共同的传导通路、抵达共同的中枢驿站，那么，把针刺镇痛效应看作是粗细两类纤维在中枢神经系统内互相作用的必然结果。是完全合乎逻辑的。
针刺信号和痛信号的相互作用，在脊髓水平就已经明显地表现出来。在后角的深层，存在许多所谓“广动力范围”神经元，它们能被来自皮肤、肌肉的多种不同性质、不同强度的刺激所激活。这意味着，针刺信号和痛信号也可能会聚在同一细胞上。有证据表明，电刺激穴位可使这些细胞产生抑制性突触后电位，其效应以频率为每秒5次的刺激最为明显。在这一基础上，痛刺激所引起的该细胞的放电便可减少一半以上。在三叉神经脊束核内，同样也存在数量众多的广动力范围细胞，能分别被针刺刺激和痛刺激激活，而穴位电针则可抑制其痛放电。
脑干网状结构是旧脊丘束、脊网丘束等丘外系纤维由脊髓行向丘脑的必经之地。脑干网状结构的重要机能特点之一，是能汇集不同性质、不同来源的各种感觉、运动信息；各种不同的传入纤维可以终止在同一网状细胞上。因此，针刺信号和痛信号在网状结构内发生相互影响是必然的。已经证明，家兔中脑网状结构的神经元可分别被穴位刺激和痛刺激激活，但在穴位电针的背景上，这些神经元对痛刺激的反应则明显受到抑制。猫延髓网状钜细胞核神经元对于来自外周肌神经和皮神经Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类纤维的传入冲动都能发生反应；电针对侧后肢的足三里、三阴交两穴，同样可引起这些神经元的电活动变化；直接电刺激网状钜细胞核对丘脑中央外侧核细胞的痛敏放电具有明显的抑制作用，其效应和电针足三里穴相近。一般认为，除嗅觉冲动以外的所有的感觉传入，都必先经过丘脑中转，尔后才进入大脑皮质。至于痛觉信息，许多工作者相信，主要是在丘脑水平进行整合的，甚至认为痛信息在丘脑便可进入意识领域。痛觉信号由外周进入中枢后，经过脊髓和脑干的逐级处理，部份已被压抑，但仍有相当一部份获得通过而到达丘脑。它们在丘脑水平是否还继续受到针刺作用的影响回答是肯定的。事实上，关于两种信号相互作用的论断，正是先根据丘脑内侧核团电活动变化的分析而作出的。在大鼠上的实验证明，用钢针穿刺皮肤，有齿镊重夹尾巴或强电流刺激坐骨神经等所引起的丘脑束旁核和中央外侧核痛敏细胞的痛放电，地可以被电针足三里、上巨虚穴所抑制，也可因挤捏跟腱或弱电流刺激坐骨神经而减弱。有意义的是，这种抑制作用从来就不是完全的。如果电针刺激的强度过强，则非但不呈现抑制效应，相反可使痛放电增多。这和临床针麻镇痛不全现象，以及如穴位针刺强度过强反而导致针麻失败的经验，是相吻合的。
束旁核等核团的痛敏放电何以能因电针穴位而受到抑制：据信是通过丘脑内侧的另一个核团──中央中核起的作用。有证据表明，中央中核并不接受痛觉信号的投射，但皮肤和肌肉内的Ⅱ、Ⅲ类纤维，却可通过脑干网状结构而大量汇集到这里。直接刺激中央中核就能有效地抑制束旁核的痛放电。据此有理由设想，针刺信号通过丘外系上升到丘脑水平时，激活了中央中核，接着，发自中央中核的信号，再通过特定的神经回路，作用于束旁核，从而导致痛信号被抑制的效应。既然中央中核不是两种信号直接相互作用的场所，却又能影响痛通路驿站内的反应，显然它是对痛中枢进行调制的一个结构。这一事实提示，脑内可能存在一个痛调制系统。
三、针刺激活脑内痛调制系统
类似上述丘脑中央中核性质的，还有其他一些核团。例如扣带回前部、中隔、杏仁复合体、尾核头部、下丘脑前部以及中脑中央灰质腹侧部和中缝核群(中缝背核、中缝中央核、中缝大核)等。这些结构中的大部份，已被确认是具有痛抑制机能的脑内结构，兴奋后可具有强烈的镇痛作用，损毁后可显著减弱针刺镇痛效应。它们构成了脑内的痛调制系统。因此，导致针刺镇痛效应的针刺信号和痛信号的相互作用，可进一步表述为：针刺传入冲动经由丘外系在中枢神经系统各级水平，程度不等地激活了脑内痛调制系统的有关脑区，从而抑制或干扰了痛信号的传递和整合。
以尾核为例，电刺激家兔尾核头部可提高痛阈，并与穴位电针提高痛阈的效应有协同作用，而损毁尾核则使电针效应显著降低。穴位电针可使该核团的许多神经元出现电反应，其中有些反应是在电针后数分钟才逐渐出现的，停止电针后又继续反应数分钟才消失，同临床的针麻诱导期和后作用颇为相似。又如杏仁复合体也具有提高痛阈的效应，临床上，应用慢性埋藏电极方法电刺激杏仁核能有效缓解病人的恶痛；然而，众所周知，杏仁复合体虽然接受多种类型的躯体和内脏感觉传入，却对于外周痛刺激无明显的特异反应。再如下丘脑，已经证明视前区、视上核区、室周核和弓状核等，都有提高痛阈或抑制其他脑区痛敏神经元电活动的效应。
尾核、杏仁复合体等边缘系统核群、下丘脑有关脑区等结构，都参与了针刺镇痛的调制过程。它们的作用途径和作用方式不尽相同，但有一个共同的特点，那就是它们都可能作用于导水管周围灰质和中缝系统。
早在50年代初期，就有工作者报道，电刺激脑干网状结构对于痛刺激所引起的反射活动具有抑制效应，提示脑内存在一个下行系统，这个系统控制着脊髓的痛信号传递。60年代末，又有人在大鼠上发现，电刺激中脑的导水管周围灰质具有强大的镇痛效应，甚至可藉以施行腹腔手术。有趣的是，这种效应具有高度的选择性，而不影响其他感觉运坳机能。进一步的研究证明，电刺激导水管周围灰质也能抑制脊髓后角一些神经元对痛刺激的反应，提示这种镇痛效应是经由下行到脊髓的通路而实现的。其后，有大量的证据表明，导水管周围灰质和中缝核群、网状大细胞及其邻近网状结构有着丰富的纤维联结，导水管周围灰质是经由这些脑区而同脊髓相联系的。
刺激或损毁中脑导水管周围灰质观察对针刺镇痛效应的影响，揭示了导水管周围灰质同针刺镇痛两者的密切关系。电针穴位或直接电刺激导水管周围灰质分别可提高痛阈，但两者同时刺激所导致痛阈的增值则大于分别刺激时痛阈增值之和；损毁导水管周围灰质则使针刺镇痛效应明显减弱。导水管周围灰质同中缝核群的关系十分密切。损毁包括中缝后部核群在内的延髓内侧部，可显著削弱针刺抑制躯体内脏反应的作用；损毁中缝大核后，刺激导水管周围灰质所致的抑制内脏躯体反射效应可被基本取消。由此可见，脑的各级部位对于脊髓痛反应的下行性影响，在很大程度上是通过中缝核群、主要是中缝大核及其邻近网状结构而实现的。又鉴于切断实验动物的双侧外侧索后，电针穴位或直接刺激中缝大核对痛刺激所致的中枢电活动改变的抑制效应基本消失，说明穴位刺激所致的镇痛效应，是经由中缝大核──脊髓内外侧索这条下行径路实现的。
在第四脑室底、脑桥的背外侧部，有一虽然很小，却具有极为广泛的传入和传出联系、参与多种生理功能调节的神经核团，叫做蓝斑。它和中缝核群之间具有交互神经支配，两者在机能上互相拮抗、互相制约。穴位电针可同时激活中缝和蓝斑。但在电针有效应的动物，损毁蓝斑后针效明显增强；原先无明显镇痛效应者，损毁蓝斑后则出现了显著的镇痛效应。用弱电流刺激蓝斑后，动物的基础痛阈明显降低；在蓝斑刺激的基础上给予穴位电针，则电针效应减弱。由此可见，针刺镇痛过程受到脑内二种相互拮抗的机制的共同调制。中缝核群和蓝斑就是起著这样的共轭机构的作用。发自中缝核群的下行冲动，确乎能在脊髓水平上抑制痛信号的上传；而蓝斑则对于这样一种抑制效应起了紧张性的抑制作用。进一步的研究还证明，蓝斑抑制针刺效应的作用，至少有一部份也是通过中缝大核的下行通路而实现的。
综上所述，经由脊髓腹外侧索上升入脑的针刺信号，激活了脑的各级水平的许多结构，这些结构通过复杂的神经网络联系成为一个整体，其中包括构成了脑内镇痛系统。脑内镇痛系统发放下行性冲动，最后汇集于中缝大核这一共同的、也许是最后的驿站，然后又通过背胺神经元施加影响。在针刺条件下，很可能两者都被激活，而针效则取决于两者的消长平衡。