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性行為の際には陰茎が勃起し、性交時の挿入が可能になります。陰茎の勃起は、神経、血管、ホルモン、心理作用といった要因の複雑な相互作用によって起こります。性的刺激を受けると、その信号が脳から脊髄（せきずい）を通って陰茎に伝えられます。この信号に反応して、陰茎海綿体と尿道海綿体に血液を送る動脈が拡張します。動脈が広がると血流量が劇的に増加し、海綿体洞は膨張します。さらに、陰茎から血液を送り出している静脈周囲の筋肉が締まって血液の流出速度が遅くなり、陰茎内の血圧が上昇します。これによって陰茎が長く太くふくらみ、硬くなります。
性的興奮が頂点に達すると（オルガスム）、亀頭の摩擦などの刺激が脳や脊髄に信号を伝え、射精が起こります。まず、脊髄の勃起中枢からの指令で、精嚢、前立腺、精巣上体、精管の周辺にある筋肉が収縮し、精液が尿道に送られます。尿道周辺の筋肉が収縮すると、精液はさらに先へ送られて陰茎外に放出されます。その際、膀胱の頸部も収縮し、精液が膀胱内へと逆流するのを防ぎます。
いったん射精すると、あるいは刺激が止まると、陰茎の動脈は収縮し、静脈は弛緩します。すると、陰茎に流れこむ血液量が減って流出量が増えるので、陰茎は軟らかくなり、勃起がおさまります。その後、次の勃起が可能になるまでには多少の時間が必要で（不応期）、若い男性で約20分を要します。
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