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El cuerpo del pene está formado por dos cuerpos cilíndricos dorso-laterales, llamados cuerpos cavernosos, y por un cuerpo esponjoso situado en la línea mediana. Una gruesa cápsula fibrosa, o túnica albugínea, recubre los cuerpos cavernosos. Las fibras de la túnica albugínea rodean a los cuerpos cavernosos y se unen para formar un septo perforado que permite a estos dos cuerpos funcionar como una única unidad. Los cuerpos cavernosos y el cuerpo esponjoso del pene están rodeados por un tejido fibroso profundo, la faja de Buck.El tejido cavernoso esponjiforme forma una red de espacios cavernosos conectados entre sí, llamados espacios cavernosos o senos vasculares. Las células del epitelio vascular tapizan los espacios cavernosos que están separados por trabéculas . Las trabéculas están formadas por haces de fibras musculares lisas, con una matriz extracelular (elastina, colágeno, y fibroblastos). El pene está vascularizado sobretodo por la arteria pudenda interna, que se ramifica en una arteria perineal superficial y una profunda. La arteria perineal profunda se divide en la arteria del bulbo, uretral (esponjosa dorsal, y cavernosa). La arteria cavernosa entra en los cuerpos cavernosos y recorre la longitud del cuerpo del pene, en donde se divide en muchas ramificaciones llamadas arterias helicinas. Las arterias helicinas se abren en los espacios cavernosos. La sangre drena desde el pene a través de tres grupos de venas , las superficiales, las intermedias y las profundas. Las venas profundas drenan la sangre de los cuerpos cavernosos y del cuerpo esponjoso.

La erección es un fenómeno hemodinámico que involucra tanto el sistema nervioso central como factores locales. Está regulada por la vasodilatación de las arterias cavernosas y por la relajación de la musculatura lisa del cuerpo cavernoso. Un adecuado flujo sanguíneo hacia el pene tiene un papel importante en este proceso. En el estado de flacidez, la inervación simpática produce una contracción tónica de la musculatura lisa de las arterias y del cuerpo, reduciendo el flujo de sangre a través de la arteria cavernosa en los espacios cavernosos. Estímulos psicógenos centrales y/o estímulos sensoriales provenientes del pene aumentan la actividad parasimpática y reducen la actividad simpática; esto conlleva un relajamiento de la musculatura lisa del pene y un aumento del flujo de sangre a través de las arterias cavernosas y de las arterias helicinas. El relajamiento de la musculatura lisa aumenta la distensión de los espacios cavernosos, lo cual lleva a la congestión y a la erección. El aumento del volumen de la sangre y la compresión de la musculatura lisa trabecular aplicada contra la túnica albugínea, relativamente rígida, reduce el flujo venoso de salida (mecanismo veno-oclusivo). Gracias a ello obtenemos una rígida erección con un cierto grado de rigidez con disminución del flujo sanguíneo a través de le arterias cavernosas. Cuando luego aumentan la actividad simpática, el tono de las arterias helicinas y la contracción de la musculatura lisa trabecular, se obtiene la detumescencia. La sangre defluye a través de las arterias y de las venas del pene y la presión intracavernosa se reduce hasta los niveles precedentes a la estimulación devolviendo al pene a su estado de flacidez.