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La branche sensorielle du nerf glossopharyngien provient de plusieurs sites. Les neurones sensoriels généraux afférents provenant des muqueuses du palais et du pharynx rejoignent la branche pharyngée du nerf glossopharyngien ; la branche amygdalienne provient de toutes les amygdales.
Les neurones sensoriels généraux provenant de la peau du méat auditif externe et de l'arrière de l'oreille passent avec le nerf facial ou la branche auriculaire du nerf vague. Ces derniers rejoignent le nerf glossopharyngien dans le foramen jugulaire. Enfin, les signaux sont transmis au noyau spinal du nerf trijumeau.
Les signaux neuronaux afférents provenant du sinus carotidien et du corps carotidien sont acheminés par la division sinusale du nerf glossopharyngien.
Les récepteurs gustatifs du tiers postérieur de la langue - derrière le sulcus terminalis - sont contactés par des fibres provenant des branches linguales du nerf glossopharyngien. Celles-ci remontent entre les artères carotides interne et externe pour former, avec d'autres branches du nerf glossopharyngien, le ganglion inférieur à l'entrée du foramen jugulaire.
Les fibres gustatives rejoignent les fibres des nerfs crâniens VII, IX et X pour faire synapse avec le nucleus solitarius. Les fibres baroréceptrices se terminent dans le noyau moteur dorsal du nerf vague.
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