Von der Arteria maxillaris wandert die hintere tiefe Schläfenarterie nach oben und verläuft zwischen dem äußeren Pterygoidmuskel, einem Muskel im Kiefer, und dem Schläfenmuskel, der sich auf der Seite des Kopfes befindet. In der infratemporalen Fossa (einem Raum, der hinter dem Wangenknochen liegt) teilt sich die Arterie in zahlreiche Äste. Die infratemporale Fossa enthält neben der tiefen Schläfenarterie den Schläfenmuskel, den Nervus auriculotemporalis, die tiefen Schläfennerven und die oberflächliche Arterie.
In der Fossa bewegt sich die hintere tiefe Schläfenarterie zusammen mit dem tiefen Schläfennerv in den Schläfenmuskel. Die Arterie versorgt den Plattenepithel des Schläfenbeins (der sich oben im Schläfenbein befindet) und das Perikranium (die äußere Hülle des Schädels) sowie den Schläfenmuskel mit Blut. Es verbindet sich mit den mittleren und oberflächlichen Schläfenarterien und der vorderen tiefen Schläfenarterie.
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