มีกลไกทางสรีรภาพหลายอย่างที่เสนอสำหรับอาการปวดต่างที่แม้จะยังไม่มีมติร่วมกันว่า สมมติฐานไหนถูกต้อง

ใยประสาทรับความรู้สึกประเภทต่าง ๆ (รวมทั้ง Aβ Aδ และ C) จากผิวหนังที่เดอร์มาโทมเดียวกัน ส่งสัญญาณไปยังนิวรอนในชั้น 2 (lamina II) ที่ปีกหลังของไขสันหลังในระดับเดียวกัน แต่นิวรอนชั้นนี้ก็ได้รับสัญญาณโนซิเซ็ปเตอร์ (ความเจ็บปวด) จากอวัยวะภายในร่างกายรวมทั้งหัวใจด้วย การส่งสัญญาณไปที่นิวรอนเดียวกันในไขสันหลังอาจเป็นเหตุให้ความรู้สึกเจ็บที่หัวใจ รู้สึกเหมือนกับเป็นความเจ็บปวดในบริเวณผิวหนังที่มีจุดเชื่อมใยประสาทร่วมกัน[4]เช่น จากในอก จากแขนหรือมือซ้าย หรือจากกระดูกกราม

ส่วนอีกสมมติฐานหนึ่งก็คือ เซลล์ประสาทรับความเจ็บปวดคือโนซิเซ็ปเตอร์ มีปลายประสาทแยกไปที่ทั้งผิวหนังและที่อวัยวะภายในต่าง ๆ รวมทั้งหัวใจ[4]

ตามปกติแล้ว ความเจ็บปวดเหตุหัวใจวายจะอยู่ที่หน้าอกตรงกลางหรือด้านซ้ายในซีกที่มีหัวใจแต่สามารถกระจายเจ็บไปถึงขากรรไกด้านซ้ายและแขนข้างซ้ายโดยอาจปรากฏเป็นความเจ็บปวดต่างที่บ้างแม้น้อยมาก และปกติจะเกิดกับคนไข้โรคเบาหวานหรือสูงอายุ[5]

การส่งใยประสาทไปที่เดียวกัน (Convergent projection)

นี่เป็นทฤษฎีแรก ๆ สุดเกี่ยวกับอาการนี้ที่อาศัยงานของ W.A. Sturge และ J. Ross ในปี 2431 และของ TC Ruch ต่อมาในปี 2504ทฤษฎีการส่งใยประสาทไปที่เดียวกัน (Convergent projection) เสนอว่าใยประสาทนำเข้าจากเนื้อเยื่อต่าง ๆ รวมตัวเข้าที่นิวรอนในไขสันหลังเดียวกัน และอธิบายว่า ทำไมอาการปวดต่างที่จึงจัดเป็นส่วน ๆ ไปตามไขสันหลังนอกจากนั้นแล้ว หลักฐานทางการทดลองได้แสดงว่า เมื่ออวัยวะส่วนที่เจ็บจริง ๆ ถูกกระตุ้นมากขึ้น อาการปวดต่างที่ก็จะมากขึ้นด้วย

ข้อคัดค้านของแบบจำลองนี้ก็คือว่า มันไม่สามารถอธิบายว่าทำไมอาการปวดต่างที่จึงเกิดช้ากว่าจุดที่เกิดสิ่งเร้าซึ่งทำให้ปวดจริง ๆหลักฐานทางการทดลองยังแสดงด้วยว่า อาการปวดต่างที่บ่อยครั้งเป็นไปในทิศทางเดียวยกตัวอย่างเช่น การเร้าให้กล้ามเนื้อส่วน anterior tibial เจ็บ จะทำให้ปวดที่ด้านหน้า (ventral) ของข้อเท้าแต่การเร้าด้านหน้าของข้อเท้าไม่ปรากฏกว่าทำให้กล้ามเนื้อเจ็บและท้ายสุดคือ ระดับการกระตุ้นที่ทำให้เจ็บเฉพาะที่และที่ทำให้ปวดต่างที่ จะมีขีดเริ่มเปลี่ยนต่างกัน แม้แบบจำลองนี้จะแสดงว่า ควรเท่ากัน[2]

Convergence-facilitation และ central sensitization

ในปี 2436 J MacKenzie ได้ตั้งแบบจำลอง Convergence facilitation อาศัยแนวความคิดของ Sturge และ Rossเขาเชื่อว่า อวัยวะภายในไม่ไวความรู้สึกที่เกิดจากสิ่งเร้านอกจากนั้น เขายังเชื่อว่า ใยประสาทจะส่งความรู้สึกที่ไม่เกี่ยวกับความเจ็บปวด (non-nociceptive) ทำให้เกิดสถานการณ์ที่เขาเรียกว่า "irritable focus" (จุดโฟกัสไวเกินต่อการกระตุ้น)จุดโฟกัสเช่นนี้ทำให้สิ่งเร้าบางอย่างรู้สึกว่าเจ็บแต่ไอเดียนี้ไม่ได้การยอมรับอย่างกว้างขวาง เพราะไม่อธิบายความเจ็บปวดที่อวัยวะภายใน

แต่ไอเดียนี้ในเร็ว ๆ นี้ได้ความสนใจมากขึ้นโดยใช้คำใหม่คือ การไวเจ็บเหตุประสาทส่วนกลาง (central sensitization)ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อนิวรอนในปีกหลังของไขสันหลังหรือก้านสมอง ตอบสนองมากขึ้นหลังจากได้การกระตุ้นซ้ำ ๆ จากนิวรอนปลายประสาท คือมีขีดเริ่มเปลี่ยนในการตอบสนองที่ลดลงส่วนความชักช้าของอาการปวดต่างที่อธิบายได้ว่า ต้องใช้เวลาเพื่อจะเกิดสถานภาพในระบบประสาทส่วนกลางที่ทำให้ไวความรู้สึก[2]

Axon-reflex

แบบจำลอง Axon reflex แสดงว่า ใยประสาทนำเข้าจะแยกเป็นสองสาขา (หรือมากกว่านั้น) ก่อนเชื่อมกับปีกหลังของไขสันหลัง และตัวกระตุ้นที่ทำให้เจ็บที่ปลายประสาทสาขาหนึ่ง อาจทำให้รู้สึกเจ็บที่ปลายประสาทสาขาอื่น ๆ ด้วยใยประสาทที่แบ่งเป็นสาขาต่าง ๆ พบได้ในทั้งกล้ามเนื้อ ผิวหนัง และหมอนกระดูกสันหลังแต่นิวรอนเช่นนี้ก็มีน้อย และก็ไม่ได้มีทั่วร่างกายแบบจำลองนี้ยังไม่สามารถอธิบาย

• ความล่าช้าของอาการปวดต่างที่
• ระดับขีดเริ่มเปลี่ยนที่แตกต่างกันระหว่างสิ่งเร้าของความเจ็บปวดเฉพาะที่ กับของความเจ็บปวดต่างที่
• ความเปลี่ยนแปลงทางความรู้สึก (sensibility) ที่บริเวณซึ่งเกิดอาการปวดต่างที่[2]

การไวต่อการกระตุ้น (Hyperexcitability)

แม้แบบจำลอง Hyperexcitability (การไวต่อการกระตุ้น) โดยทั่วไปจะสมมติว่า อาการปวดต่างที่ไม่มีกลไกแบบรวมศูนย์แต่ก็ลักษณะรวมศูนย์อย่างหนึ่งที่มีอิทธิพลมากงานทดลองที่ใช้ตัวกระตุ้นอันตรายและการบันทึกกระแสไฟฟ้าที่ปีกหลังของไขสันหลังในสัตว์แสดงว่า อาการปวดต่างที่จะเริ่มหลังจากได้เร้ากล้ามเนื้อเป็นนาที ๆและความรู้สึกปวดจะอยู่ในลานรับสัญญาณที่ห่างจากสิ่งเร้าเป็นช่วงระยะหนึ่งตามแบบจำลองนี้ ลานรับสัญญาณใหม่ได้เกิดขึ้นโดยเป็นผลจากการทำงานของใยประสาทนำเข้าแฝง (latent) ซึ่งไปสุดที่ปีกหลังของไขสันหลังบริเวณเดียวกันการทำงานที่ว่านี้จะทำให้ปวดต่างที่

ลักษณะหลาย ๆ อย่างสนับสนุนแบบจำลองนี้ เช่น การต้องอาศัยสิ่งเร้า และช่วงชักช้าก่อนที่อาการปวดต่างที่จะปรากฏเทียบกับอาการปวดเฉพาะที่แต่การปรากฏของลานรับสัญญาณใหม่ ซึ่งตีความว่าทำให้เกิดอาการปวดต่างที่ ไม่เข้ากับหลักฐานการทดลองส่วนมากรวมทั้งงานในบุคคลที่มีสุขภาพปกตินอกจากนั้นแล้ว อาการปวดต่างที่โดยทั่วไปจะปรากฏภายในไม่กี่วินาทีในมนุษย์ เทียบกับเป็นนาที ๆ ในสัตว์ทดลองนักวิทยาศาสตร์บางพวกอธิบายว่า นี่เกิดจากกลไกหรือจากอิทธิพลของระบบอื่น ๆ นอกเหนือไปจากไขสันหลังเทคนิคการสร้างภาพสมอง เช่น PET หรือ fMRI อาจช่วยให้เห็นกระบวนการทางประสาทที่เป็นเหตุสำหรับการทดลองในอนาคต[2]

การรวมตัวที่ทาลามัส (Thalamic-convergence)

แบบจำลองการรวมตัวที่ทาลามัสเสนอว่า อาการปวดต่างที่มีเหตุจากการรวมสัญญาณประสาท (summation) ในสมอง ไม่ใช่ที่ไขสันหลัง หรือบริเวณที่เกิดสิ่งเร้า หรือบริเวณที่เจ็บปวดต่างที่แต่หลักฐานการทดลองของสมมติฐานนี้ไม่ค่อยมีอย่างไรก็ดี งานศึกษาเกี่ยวกับความเจ็บปวดที่ทำในลิงพบการรวมตัวกันของวิถีประสาทต่าง ๆ ที่นิวรอนทั้งในคอร์เทกซ์และใต้คอร์เทกซ์