Hypotalamus spája nervový systém s endokrinným systémom prostredníctvom hypofýzy. Hypotalamus (z gréckeho ὑποθαλαμος = pod talamom) sa nachádza pod talamom, tesne nad mozgovým kmeňom. Táto žľaza zaberá väčšiu časť ventrálnej oblasti diencefala. Nachádza sa v mozgu všetkých cicavcov. U človeka má približne veľkosť mandle.
Hypotalamus reguluje niektoré metabolické procesy a ďalšie činnosti autonómneho nervového systému. Syntetizuje a vylučuje neurohormóny, často nazývané hypotalamus uvoľňujúce hormóny, a tie zasa stimulujú alebo inhibujú sekréciu hormónov hypofýzy.
Hypotalamus riadi telesnú teplotu, hlad, smäd, únavu, hnev a cirkadiánne cykly.
Hypotalamus je veľmi zložitá oblasť v mozgu človeka a aj malé jadrá v hypotalame sa podieľajú na mnohých rôznych funkciách. Napríklad paraventrikulárne jadro obsahuje neuróny oxytocínu a vazopresínu (nazývaného aj antidiuretický hormón), ktoré sa premietajú do zadnej hypofýzy, ale obsahuje aj neuróny, ktoré regulujú sekréciu ACTH a TSH (ktoré sa premietajú do prednej hypofýzy), žalúdočné reflexy, materské správanie, krvný tlak, kŕmenie, imunitné reakcie a teplotu.
Hypotalamus koordinuje mnohé hormonálne a behaviorálne cirkadiánne rytmy, zložité vzorce neuroendokrinných výstupov, komplexné homeostatické mechanizmy a mnohé dôležité správanie. Hypotalamus preto musí reagovať na množstvo rôznych signálov, z ktorých niektoré sú generované zvonka a niektoré zvnútra. Je teda bohato prepojený s mnohými časťami CNS vrátane retikulárnej formácie mozgového kmeňa a autonómnych zón, limbického predného mozgu (najmä amygdaly, septa, diagonálneho pásma Broca a čuchových bulbov a mozgovej kôry).
Hypotalamus reaguje na:
Čuchové podnety sú dôležité pre reprodukciu a neuroendokrinné funkcie mnohých druhov. Napríklad ak je gravidná myš vystavená moču „cudzieho“ samca v kritickom období po súloži, gravidita zlyhá (Bruceov efekt). Takto si samička myši počas súlože vytvorí presnú „čuchovú pamäť“ svojho partnera, ktorá pretrváva niekoľko dní.
Feromónové signály napomáhajú synchronizácii ruje u mnohých druhov; u žien môže synchronizovaná menštruácia tiež vznikať na základe feromónových signálov, hoci niektorí o úlohe feromónov u ľudí pochybujú.
Peptidové hormóny majú dôležitý vplyv na hypotalamus a na to sa musia dostať cez hematoencefalickú bariéru. Hypotalamus je čiastočne ohraničený špecializovanými oblasťami mozgu, ktoré nemajú účinnú hematoencefalickú bariéru; endotel kapilár na týchto miestach je fenestrovaný, aby umožnil voľný prechod aj veľkých proteínov a iných molekúl. Niektoré z týchto miest sú miestami neurosekrécie – neurohypofýza a stredná eminencia. Iné sú však miesta, na ktorých mozog odoberá vzorky zloženia krvi. Dve z týchto miest, subfornikálny orgán a OVLT (organum vasculosum of the lamina terminalis), sú takzvané cirkumventrikulárne orgány, kde sú neuróny v úzkom kontakte s krvou aj mozgovým mokom. Tieto štruktúry sú husto vaskularizované a obsahujú osmorecepčné a sodík-recepčné neuróny, ktoré riadia pitie, uvoľňovanie vazopresínu, vylučovanie sodíka a chuť na sodík. Obsahujú aj neuróny s receptormi pre angiotenzín, atriálny natriuretický faktor, endotelín a relaxín, z ktorých každý je dôležitý pri regulácii rovnováhy tekutín a elektrolytov. Neuróny v OVLT a SFO sa premietajú do supraoptického jadra a paraventrikulárneho jadra a tiež do preoptických hypotalamických oblastí. Obvodové orgány môžu byť tiež miestom pôsobenia interleukínov, ktoré vyvolávajú horúčku aj sekréciu ACTH prostredníctvom účinkov na paraventrikulárne neuróny.
Nie je jasné, ako všetky peptidy, ktoré ovplyvňujú hypotalamickú aktivitu, získavajú potrebný prístup. V prípade prolaktínu a leptínu existuje dôkaz o aktívnom vychytávaní v choroidálnom plexe z krvi do mozgového moku. Niektoré hypofyzárne hormóny majú negatívnu spätnú väzbu na hypotalamickú sekréciu; napríklad rastový hormón sa vracia späť do hypotalamu, ale nie je jasné, ako sa dostáva do mozgu. Existujú aj dôkazy o centrálnom pôsobení prolaktínu a TSH.
Hypotalamus dostáva mnoho vstupov z mozgového kmeňa, najmä z jadra solitárneho traktu, locus coeruleus a ventrolaterálnej miechy. Sekrécia oxytocínu ako odpoveď na sanie alebo vaginálno-cervikálnu stimuláciu je sprostredkovaná niektorými z týchto dráh; sekrécia vazopresínu ako odpoveď na kardiovaskulárne podnety vznikajúce z chemoreceptorov v karotickom sínuse a aortálnom oblúku a z receptorov nízkeho tlaku v predsieni je sprostredkovaná inými dráhami. U potkanov stimulácia vagíny tiež spôsobuje sekréciu prolaktínu, čo má za následok pseudoplodnosť po neplodnom párení. U králika koitus vyvoláva reflexnú ovuláciu. U oviec môže stimulácia krčka maternice v prítomnosti vysokých hladín estrogénu vyvolať materské správanie u panenskej ovce. Všetky tieto účinky sú sprostredkované hypotalamom a informácie sa prenášajú najmä miechovými dráhami, ktoré sa prenášajú v mozgovom kmeni. Stimulácia bradaviek stimuluje uvoľňovanie oxytocínu a prolaktínu a potláča uvoľňovanie LH a FSH.
Kardiovaskulárne podnety sú prenášané blúdivým nervom, ale blúdivý nerv prenáša aj rôzne viscerálne informácie, vrátane napríklad signálov vznikajúcich pri rozťahovaní žalúdka na potlačenie kŕmenia. Tieto informácie sa opäť dostávajú do hypotalamu prostredníctvom relé v mozgovom kmeni.
K hypotalamickým jadrám patria:
Väčšina systémov vlákien hypotalamu prebieha obojsmerne (obojsmerne).
Hypotalamus ovplyvňuje endokrinný systém a riadi emocionálne správanie, napríklad hnev a sexuálnu aktivitu. Väčšina vytvorených hypotalamických hormónov sa distribuuje do hypofýzy prostredníctvom hypofyzárneho portálneho systému. Hypotalamus udržiava homeostázu, čo zahŕňa reguláciu krvného tlaku, srdcovej frekvencie a teploty.
Primárne hypotalamické hormóny sú:
Krajná laterálna časť ventromediálneho jadra hypotalamu je zodpovedná za kontrolu príjmu potravy. Stimulácia tejto oblasti spôsobuje zvýšený príjem potravy. Bilaterálna lézia tejto oblasti spôsobuje úplné zastavenie príjmu potravy. Mediálne časti jadra majú kontrolný účinok na laterálnu časť. Bilaterálna lézia mediálnej časti ventromediálneho jadra spôsobuje hyperfágiu a obezitu zvieraťa. Ďalšia lézia laterálnej časti ventromediálneho jadra u toho istého zvieraťa spôsobuje úplné zastavenie príjmu potravy.
V súvislosti s touto reguláciou existujú rôzne hypotézy:
Niektoré hypotalamické jadrá sú pohlavne dimorfné, t. j. medzi samcami a samicami sú zreteľné rozdiely v štruktúre aj funkcii.
Niektoré rozdiely sú zjavné aj v hrubej neuroanatómii: najpozoruhodnejšie je pohlavne dimorfné jadro v preoptickej oblasti, ktoré je prítomné len u samcov. Väčšinu rozdielov však predstavujú jemné zmeny v prepojení a chemickej citlivosti jednotlivých súborov neurónov.
Význam týchto zmien možno rozpoznať na základe funkčných rozdielov medzi mužmi a ženami. Napríklad vzor vylučovania rastového hormónu je pohlavne dimorfný, a to je jeden z dôvodov, prečo sú u mnohých druhov dospelí samci oveľa väčší ako samice.
Reakcie na ovariálne steroidy
Ďalšie nápadné funkčné dimorfizmy sú v behaviorálnych reakciách na ovariálne steroidy dospelých jedincov. Samce a samice reagujú na ovariálne steroidy rozdielne, čiastočne preto, že expresia neurónov citlivých na estrogény v hypotalame je pohlavne dimorfná, t. j. estrogénové receptory sú exprimované v rôznych súboroch neurónov.
Estrogén a progesterón môžu ovplyvňovať expresiu génov v konkrétnych neurónoch alebo vyvolávať zmeny v membránovom potenciáli buniek a aktiváciu kináz, čo vedie k rôznym negenomickým bunkovým funkciám. Estrogén a progesterón sa viažu na im príbuzné jadrové hormonálne receptory, ktoré sa premiestňujú do bunkového jadra a interagujú s oblasťami DNA známymi ako prvky hormonálnej odpovede (HRE) alebo sa viažu na väzobné miesto iného transkripčného faktora. Ukázalo sa, že estrogénový receptor (ER) týmto spôsobom transaktivuje iné transkripčné faktory napriek tomu, že v proximálnej promótorovej oblasti génu sa nenachádza estrogénový prvok odpovede (ERE). ER a progesterónové receptory (PR) sú vo všeobecnosti aktivátormi génov so zvýšenou syntézou mRNA a následnou syntézou proteínov po pôsobení hormónov.
Mužský a ženský mozog sa líši v distribúcii estrogénových receptorov a tento rozdiel je nezvratným dôsledkom neonatálnej expozície steroidom. Estrogénové receptory (a progesterónové receptory) sa nachádzajú najmä v neurónoch v prednom a mediobazálnom hypotalame, najmä:
Gonadálne steroidy v novorodeneckom živote potkanov
V novorodeneckom veku gonadálne steroidy ovplyvňujú vývoj neuroendokrinného hypotalamu. Určujú napríklad schopnosť samíc vykazovať normálny reprodukčný cyklus a samcov a samíc vykazovať vhodné reprodukčné správanie v dospelosti.
U primátov je vývojový vplyv androgénov menej jasný a dôsledky sú menej úplné. „Tomboyizmus“ u dievčat by mohol odrážať účinky androgénov na mozog plodu, ale pohlavie chovu počas prvých 2 – 3 rokov mnohí považujú za najdôležitejší determinant pohlavnej identity, pretože počas tejto fázy buď estrogén, alebo testosterón trvalo pôsobí na ženský, alebo mužský mozog, čo ovplyvňuje heterosexualitu aj homosexualitu.
Paradoxom je, že maskulinizačné účinky testosterónu sú sprostredkované estrogénom. V mozgu sa testosterón aromatizuje na (estradiol), ktorý je hlavným aktívnym hormónom pre vývojové vplyvy. Ľudské semenníky vylučujú vysoké hladiny testosterónu približne od 8. týždňa života plodu do 5 – 6 mesiacov po narodení (podobný perinatálny nárast testosterónu sa pozoruje u mnohých druhov), čo je proces, ktorý zrejme stojí za mužským fenotypom. Estrogén z materského obehu je relatívne neúčinný, čiastočne kvôli vysokým cirkulujúcim hladinám proteínov viažucich steroidy v tehotenstve.
Ďalšie vplyvy na vývoj hypotalamu
Pohlavné steroidy nie sú jediným dôležitým vplyvom na vývoj hypotalamu; najmä predpubertálny stres v ranom veku určuje schopnosť dospelého hypotalamu reagovať na akútny stresor. Na rozdiel od receptorov gonadálnych steroidov sú glukokortikoidné receptory veľmi rozšírené v celom mozgu; v paraventrikulárnom jadre sprostredkúvajú negatívnu spätnú väzbu kontroly syntézy a sekrécie CRF, ale inde ich úloha nie je dobre známa.
Účinky starnutia na hypotalamus
Štúdie na samiciach myší ukázali, že supraoptické jadro (SON) aj paraventrikulárne jadro (PVN) pri normálnom starnutí strácajú približne tretinu imunoreaktívnych buniek IGF-1R. Aj staré myši s obmedzeným príjmom kalórií (CR) stratili vyšší počet neimunoreaktívnych buniek IGF-1R, pričom si zachovali podobný počet imunoreaktívnych buniek IGF-1R v porovnaní so starými myšami. V dôsledku toho vykazujú myši Old-CR vyššie percento imunoreaktívnych buniek IGF-1R, čo odráža zvýšenú citlivosť hypotalamu na IGF-1 v porovnaní s normálne starnúcimi myšami.
Telo epifýzy – Habenula – Habenulárny trigon – Habenulárna komisúra
Predsieňová oblasť – Habenulárne jadrá – Subkomisurálny orgán
Stria medullaris thalamu – retikulárne jadro talamu – Taenia thalami
v páre: AN – Ventrálny (VA/VL, VP/VPM/VPL) – Laterálny (LD, LP, Pulvinar) – Metatalamus (MG, LG)
stredová línia: MD – Intralaminárne (centromediálne) – Jadrová skupina v strednej línii – Intertalamická adhézia
Mammillothalamický fascikulus – Pallidothalamické dráhy (Ansa lentikulis, Lenticular fasciculus, Thalamický fascikulus) – PCML (Mediálny lemniscus, Trigeminálny lemniscus) – Spinothalamický trakt – Laterálny lemniscus – Dentatothalamický trakt – Akustické žiarenie – Optické žiarenie – Subthalamický fascikulus – Predný trigeminothalamický trakt
Median eminence/Tuber cinereum – Mammillary body – Infundibulum
Predná (parasympatikus/úbytok tepla) – Zadná (sympatikus/ochrana tepla)
zadná hypofýza: magnocelulárna/Paraventrikulárna/Supraoptická (oxytocín/vazopresín)
iné: parvocelulárne/Arkulárne (dopamín/GHRH) – Preoptické (GnRH) – Suprachiasmatické (melatonín)
Laterálny (hlad) – Ventromediálny (pocit sýtosti) – Dorsomediálny (hnev)
aferentné (SN → mediálny predmozgový zväzok) – eferentné (mammillothalamický fascikulus → AN, Stria terminalis → amygdala, dorzálny pozdĺžny fascikulus → SC)
Zadná časť je diencephalon, ale predná časť je žľazová
Subtalamické jadro – Zona incerta
Hypotalamická brázda – Tela chorioidea tretej komory
Štítna žľaza (Parafolikulárna bunka, Epitelová bunka štítnej žľazy, Štítny priechod, Laloky štítnej žľazy, Pyramída štítnej žľazy) Prištítne telieska (Oxyfilná bunka, Hlavná bunka)
zona glomerulosa – zona fasciculata – zona reticularis
Zuckerkandlov orgán – Aortálne telo – Karotické telo
Semenníky – Vaječníky – Žlté teliesko
Pars nervosa – Median eminence – Infundibular stalk – Pituicyte – Herring bodies
Pars intermedia – Pars tuberalis – Pars distalis – Acidofily (somatotrópy, laktotrópy) – Bazofily (kortikotrópy, gonadotrópy, tyrotrópy)
Pinealocyty – Corpora arenacea
Alfa bunka – Beta bunka – Delta bunka – PP bunka – Epsilon bunka