Ces multiples voies nociceptives commencent toutes de la même façon. Le signal douloureux en provenance par exemple de la peau voyage d'abord dans un nerf afférent formé des fibres nerveuses des neurones sensoriels en " T " situé dans un ganglion spinal (ou rachidien). Les fibres qui entrent ensuite dans la moelle épinière se divisent immédiatement et parcourent une courte distance de un ou deux segments de la moelle épinière vers le haut ou vers le bas. Elles forment ainsi ce qu'on appelle le faisceau de Lissauer avant d'aboutir dans la région externe de la corne dorsale.

La zone particulière de la corne dorsale où les différentes fibres (A-alpha, bêta, delta et C) vont faire synapse n'est pas aléatoire et correspond à une organisation spatiale très précise.

Ainsi les fibres de gros calibre myélinisées (A-alpha pour le toucher et A-bêta pour la proprioception) qui montent directement dans la colonne dorsale ipsilatérale de la moelle épinière, vont tout de même envoyer certains axones dits " collatéraux " vers les couches profondes de la corne dorsale (voir encadré ci-bas) qui s'étendent jusqu'à la corne ventrale. C'est là que se feront les connexions avec les motoneurones qui rendent possible le réflexe de retrait.

Pour ce qui est des fibres de plus petit calibre A delta et C qui transmettent la douleur, elles vont faire synapse sur deux principaux types de neurones eux aussi localisés dans des couches précises de la racine dorsale de la moelle épinière.

D'une part, des neurones nociceptifs dits " spécifiques " dont les corps cellulaires sont situés dans les couches I et II. Ces neurones reçoivent des fibres A-delta et C et sont donc exclusivement activés par des stimulations nociceptives cutanées, mécaniques et/ou thermiques. Les axones de ces neurones nociceptifs spécifiques se regrouperont pour former la voie néospinothalamique.

Et d'autre part, des neurones nociceptifs "non spécifiques" dont les corps cellulaires sont situés au niveau de la couche V. Ces neurones répondent de façon préférentielle mais non exclusive aux stimulations nociceptives. On les appelle aussi neurones " convergents ", " polymodaux " ou encore " à large gamme de réponse " car ils peuvent être activés autant par des fibres véhiculant des stimulations mécaniques non nociceptives que par des stimuli douloureux de nature tactile, musculaire ou viscérale. Ils sont également capables de coder l'intensité de la stimulation périphérique, c'est-à-dire d'augmenter la fréquence des influx nerveux émis en fonction de l'intensité du stimulus. Et à partir d'un certain seuil d'activité, le message devient nociceptif.

Le champ récepteur sur la peau d'où peuvent être activés ces neurones est plus étendu que celui des neurones spécifiques. Il présente aussi un gradient de sensibilité : au centre de son champ récepteur, toutes les stimulations mécaniques sont suivies d'influx nerveux, alors qu'à la périphérie seules les stimulations nociceptives en produisent.

Les influx nerveux enregistrés dans les neurones non spécifiques peuvent donc avoir une composante précoce due à la mise en jeu des collatérales des fibres A-alpha et A-bêta, puis, pour des intensités de stimulation plus fortes, des composantes plus tardives dues à l'activation des fibres A-delta puis C.

La convergence sur ces neurones de fibres de différents calibres d'origine à la fois viscérale et tactile explique également deux phénomènes particuliers : les douleurs projetées où une douleur viscérale est ressentie dans un territoire cutané ; et le contrôle segmentaire de la douleur par l'activation d'afférences non nociceptives.

On a donc trois grandes voies " extralemniscales " (par opposition à la voie lemniscale, voir plus bas) véhiculant la douleur et apparues successivement au cours de l'évolution : la voie archispinothalamique, la voie paléospinothalamique et la voie néospinothalamique.

Voir cette figure animée au http://neuroscience.uth.tmc.edu/s2/ii7-2.html

La voie archispinothalamique, le plus ancien chemin que peuvent emprunter les stimuli douloureux pour se rendre au cerveau, est une voie multisynaptique diffuse. Elle rejoint d'abord la région de la formation réticulée et de la substance grise périaqueducale, puis les noyaux intralaminaires du thalamus, en plus d'envoyer des collatérales à l'hypothalamus et à différents noyaux du système limbique, contribuant aux réactions viscérales, autonomes et émotionnelles à la douleur.

Toujours selon une classification phylogénétique (qui n'est pas la seule possible, voir l'encadré), une voie dite paléospinothalamique composée de fibres de petit calibre à conduction lente est apparue ensuite. Cette voie, toujours sans organisation somatotopique, se projette largement sur la formation réticulée à tous les niveaux du tronc cérébral, contribuant ainsi à deux phénomènes importants. D'abord l'éveil général du système nerveux central par le système réticulaire ascendant. Ensuite, l'activation de certains noyaux du tronc cérébral qui sont à l'origine des voies descendantes du contrôle de la douleur.

Les terminaisons de la voie paléospinothalamique se poursuivent également dans les noyaux intralaminaires du thalamus. Les neurones de ces derniers, les troisièmes des voies nociceptives afférentes (après les neurones des ganglions spinaux et ceux de la corne dorsale de la moelle épinière) vont envoyer leurs projections à différentes régions corticales dont le cortex frontal, le cortex cingulaire et le cortex insulaire.

La voie nociceptive la plus récente d'un point de vue évolutif, n'existant que chez les mammifères supérieurs, est la voie néospinothalamique. C'est cette voie qu'emprunte la composante rapide de la douleur qui nous informe de la nature du stimulus douloureux (piqûre, brûlure, etc) et de sa localisation précise sur notre corps. C'est aussi cette voie, habituellement appelée simplement " spinothalamique ", qui véhicule la sensation de température.

La voie spinothalamique est formée d'axones des neurones spécifiques de la corne ventrale de la moelle épinière qui, contrairement aux voies archi et paléospinothalamiques, vont tous décusser, c'est-à-dire traverser du côté controlatéral de la moelle épinière. Les voies archi et paléospinothalamiques font en effet des connexions bilatérales dans les structures cérébrales qu'elles innervent parce que certaines collatérales ne décussent pas et montent directement du même côté.

Les axones de la voie spinothalamique poursuivent donc leur chemin du côté controlatéral en montant dans la partie antérieure et latérale de la moelle épinière, d'où son autre nom de " cordon ventro-latéral " (certains disent aussi " antéro-latéral "). Les axones pénètrent ensuite dans le bulbe rachidien où ils sont rejoints par les axones du noyau spinal du trijumeau véhiculant la sensibilité nociceptive de la face (voir encadré) ainsi que par la voie lemniscale médiale responsable du toucher.

La plupart des fibres du faisceau néospinothalamique issues des parties du corps situées sous le cou vont se terminer dans le noyau ventro-latéral postérieur du thalamus. Les neurones de ce noyau, troisième de la voie néospinothalamique, envoient quant à eux leur axone au cortex somatosensoriel primaire.

La question d'intérêt est ensuite de comprendre comment on parvient à atténuer la douleur. Les mécanismes du contrôle descendant de la douleur ont d'abord été détaillés au niveau de la moelle épinière avec la théorie du portillon de Melzack et Wall. Cette théorie a marqué la fin d'une conception de la douleur comme simple système d'alarme primitif en montrant que le passage de celle-ci était contrôlé non seulement dans la moelle épinière, mais aussi à différents endroits dans le cerveau. Le caractère éminemment subjectif de la douleur et les nombreux facteurs psychologiques pouvant l'affecter trouvaient ainsi un substrat neuronal.

Les voies nerveuses qui partent des centres supérieurs générant ces états psychologiques exercent leur influence sur des régions sous-corticales et sont donc forcément des voies descendantes. Celles-ci ont une influence inhibitrice qui, selon son degré d'activation, va " fermer la porte " à différents degrés dans les centres de relais des voies nociceptives ascendantes.

Les contrôles inhibiteurs diffus induits par des stimulations nociceptives ont par exemple leur origine dans le tronc cérébral. Ce mécanisme, souvent désigné par son simple acronyme " CIDN " pour " contrôle inhibiteur diffus nociceptif ", est connu depuis fort longtemps puisqu'il est à l'origine du phénomène du masquage d'une douleur par une autre douleur. On sait que dès l'antiquité, de pointes de métal brûlantes étaient appliquées pour soulager certaines douleurs. On peut penser aussi aux pinces nasales utilisées chez les bovins pour réaliser certaines interventions douloureuses comme la castration. Autrement dit, lorsque deux stimulations nociceptives sont appliquées sur deux régions distinctes et distantes du corps, le stimulus le plus faible est inhibé.

C'est vers la fin des années 1970 qu'on élabore formellement l'hypothèse qu'une stimulation nociceptive localisée peut amener une inhibition généralisée des afférences nociceptives situées ailleurs sur le corps. Lorsqu'on enregistre par exemple chez le rat l'activité électrique dans un neurone nociceptif de la moelle épinière qui répond à une stimulation douloureuse appliquée sur l'extrémité de d'une de ses pattes, on note que cette réponse nociceptive peut être inhibée par des stimulations douloureuses en de nombreux points ailleurs sur le corps. On note aussi que les stimuli non nociceptifs sont totalement inefficaces et que l'importance de l'inhibition est proportionnelle à l'intensité du stimulus douloureux appliqué et à sa durée.

La substance grise périventriculaire ainsi que sa continuation, la substance grise périaqueducale, située autour de l'aqueduc du mésencéphale, ont été beaucoup étudiées (voir l'encadré). On sait qu'elles envoient des projections descendantes vers la moelle épinière et le cervelet, mais aussi des projections ascendantes au thalamus et aux lobes frontaux. On pense donc que cette région périventriculaire et périaqueducale pourrait moduler la douleur à la fois au niveau central et à la fois au niveau de la moelle épinière.