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男性阴茎受刺激后，在短时间内松弛开来，快速的充血，将血液灌注到海绵体内的静脉血管直到压力上升到一定的限度才停止。充满血液的阴茎海绵体会将阴茎撑起，令阴茎变硬和长。
当男子因有关性内容的听觉、视觉、嗅觉以及思维、想象等刺激兴奋大脑皮层，并通过脊髓的胸腰段勃起中枢传出，作用于阴茎海绵体后，就会使动脉血管扩张，大量血液流入阴茎海绵体；静脉血管收缩，流出海绵体的血液减少时，血液便充分潴留在海绵体内丰富的血管和血窦中，使阴茎迅速产生心理性勃起。反之，当动脉血管收缩，流入阴茎海绵体的血液减少；静脉血管扩张，潴留在海绵体内的丰富血流迅速回流时，阴茎便恢复疲软。
而外生殖器受到直接触摸、走路摩擦等局部刺激或接受来自内部的对直肠和膀胱等的刺激时则可引起反射性勃起，这是通过刺激了脊髓中骶髓的低级勃起中枢激起它的性兴奋后实现的。阴茎勃起是天生就会的，男性胎儿在子宫内就可以勃起。小男孩出生后排尿时也可能勃起变硬，有时躺在那儿撒尿可以使尿液像泉水一样直直地喷射到大人脸上，常给正在换尿布的父母带来意外的笑声和喜悦，但这时的勃起并无任何“性”的含义。凡接受对生殖器本身的刺激都能引起反射性勃起，它们通过阴部神经和骶髓勃起中枢起调节作用。
心理和生理刺激既可单独起作用，又可相互影响、共同卷入性活动之中。例如当脊髓损伤发生在胸腰区域以上时，病人只能在生殖器接受肉体刺激的情况下发生勃起，心理性勃起的能力消失。当运动神经元损伤发生在胸腰区以下水平时，刺激生殖器不能引起勃起，而有24～57%的病人仍然出现心理性勃起，也就是说，心理性刺激可以通过胸腰途径来传递。当脊髓损伤发生在腰2～骶1时，心理性和反射性勃起都存在，但二者不能协调一致，通过生殖器刺激不可能达到射精高潮。
正常男子除了心理性勃起和反射性勃起外，还有一种夜间勃起，男子的睡眠总处于快动眼睡眠期和慢动眼睡眠期的交替中，也经历着勃起──疲软──再勃起──再疲软的生理过程，这在医学上称为阴茎夜间勃起，是健康男性正常的生理过程。一般来说，男子每晚都会有4～6次、每次20～40分钟的勃起，总共勃起可达两个半小时。这是因为大脑在白天总要抑制性反应的发生，否则男子难免不时遇到尴尬局面，但到了熟睡之后，大脑的这种抑制功能消失，阴茎便自发出现勃起反应了，这是完全正常的，不必担心。夜间勃起的时间、频率、硬度会随年龄的增长而减少，而青春期至20岁左右是最强的。无论是心理性还是反射性勃起，外来刺激解除之后，阴茎就很快恢复到常态。夜间勃起也不例外。阴茎勃起一段时间后肯定会自动疲软下来，因为长时间让血液滞留在海绵体内，血液就会缺氧并堆积大量代谢的废物，这对组织是不利的，严重时还会发生坏死。有一种阴茎异常勃起的病就是这样，患者表现为阴茎4～6小时以上持续肿大、质硬、疼痛、颜色青灰，这是泌尿外科的急症，需尽快到医院紧急处理。所以阴茎并非整夜勃起，而必然是有张有弛的。清晨勃起在临床上是一种有意义的生理现象。有的医生专门研究过这种现象，发现男子在患病期间，清晨勃起会减弱或者消失；而身体康复之后，清晨勃起也会随之恢复。因此，清晨勃起现象可以作为男性健康状况的参考指标。清晨勃起的有无，也可以作为判断男子性功能状态的参考指标。
