Après avoir fait synapse avec les fibres périphériques, le faisceau néo-spinothalamique fait son ascension directement vers le thalamus. Dans sa portion centrale, il ne fera synapse qu'une seule autre fois à partir de son entrée dans la moelle au niveau de la corne postérieure et ce jusqu'au thalamus, on le dit monosynaptique. Le fibres de ce faisceau sont dirigées vers le thalamus et vers certains noyaux préférentiels seulement. A partir du thalamus, une troisième longueur d'axones se rend spécifiquement dans le cortex pariétal sensitif où se font la réception (cortex pariétal primaire (S1) et l'intégration (cortex paritétal secondaire (S2) du message "DOULEUR" et "TOUCHER SUPERFICIEL". (Voir: LE POINT D'ARRIVEE DES INFLUX NOCICEPTIFS: LES ETAGES SUPERIEURS "MODE SENSORIEL" ET "MODE AFFECTIF")
Il importe de préciser qu'aucune composante affective ou émotionnelle n'est incluse dans la transmission par le faisceau néo-spinothalamique.