La 5-HT (di natura serotoninergica) rilasciata dai nuclei rafe scende nel corno dorsale del midollo spinale dove forma connessioni eccitatorie con gli interneuroni encefalinergici inibitori che si trovano nella lamina II del grigio midollare (o sostanza gelatinosa del Rolando). Quando vengono attivati, questi interneuroni liberano sia encefalina sia dinorfina (neurotrasmettitori oppioidi endogeni), che si legano ai recettori degli oppioidi μ sugli assoni delle fibre C/Aδ che trasportano segnali di dolore dai nocicettori attivati in periferia. L'attivazione dei recettori μ-oppioidi inibisce il rilascio di sostanza P dai neuroni di primo ordine in arrivo andando quindi a inibire l'attivazione del neurone di secondo ordine che è responsabile della trasmissione del segnale dolore dal tratto spinotalamico ai nuclei ventroposterolaterali (VPL) del talamo. Il segnale nocicettivo viene quindi inibito prima che sia in grado di raggiungere le aree corticali che interpretano il segnale come "dolore" (come ad esempio il cingolo anteriore). Questa teoria prende il nome di teoria del controllo del cancello, ed è supportata dal fatto che la stimolazione elettrica del PAG provoca analgesia immediata e profonda. La sostanza grigia periacqueduttale è attivata anche attraverso la visualizzazione di immagini di forte impatto associate al dolore.