Da artéria maxilar, a artéria temporal posterior profunda viaja para cima, passando entre o músculo pterigóideo externo, um músculo da mandíbula e o músculo temporal, que fica na lateral da cabeça. Na fossa infratemporal (um espaço que fica atrás da maçã do rosto), a artéria se divide em vários ramos. A fossa infratemporal, além da artéria temporal profunda, contém o músculo temporal, o nervo auriculotemporal, os nervos temporais profundos e a artéria superficial.
Na fossa, a artéria temporal posterior profunda se move para o músculo temporal, junto com o nervo temporal profundo. A artéria fornece sangue à porção escamosa do osso temporal (localizada na parte superior do osso temporal) e ao pericrânio (a cobertura externa do crânio), bem como ao músculo temporal. Ele se junta às artérias temporais média e superficial e à artéria temporal anterior profunda.
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