Hypotalamus je malá oblast na bázi mozku, váží asi 4 g z 1400 g hmotnosti mozku dospělého člověka, přesto plní celou řadu funkcí, které jsou životně důležité pro přežití jedince. Obecně hypotalamus funguje jako integrátor, který reguluje a koordinuje základní funkce nezbytné pro život, jako je rovnováha tekutin a elektrolytů, metabolismus potravy a energie, cykly bdění a spánku, termoregulace, reakce na stres a sexuální chování a reprodukce.

• 1. Architektura hypotalamu
  • 1.1 Krevní zásobení hypotalamu
• 2 Vstupy do hypotalamu
• 3 Homeostatický, alostatický a cirkadiánní řídicí systém
• 4 Hypotalamická regulace endokrinního, autonomního, a behaviorálních funkcí
• 5 Hypothalamická kontrola rovnováhy tekutin a elektrolytů
• 6 Hypothalamická kontrola výživy a energetického metabolismu
• 7 Hypothalamická kontrola termoregulace
• 8 Hypothalamická kontrola reprodukce
• 8
• 9 Hypotalamická kontrola spánku a bdění
• 10 Hypotalamická kontrola stresových reakcí
• 11 Odkazy
• 12 Viz také

Architektura hypotalamu

Nachází se těsně za a mezi očima, přední hranici hypotalamu tvoří optická chiasma. Laterálně je ohraničen optickými drahami a spánkovými laloky a zadní hranice hypotalamu, kterou zaujímají mamilární tělíska, je ohraničena mozkovými stopkami. Hypotalamus, který se nachází doslova pod thalamem, je ve střední čáře rozdělen třetí komorou. Obsahuje řadu poměrně dobře diferencovaných buněčných skupin nebo jader, zasazených mezi hlavní axonální dráhy, které jej spojují se zbytkem mozku a s endokrinním systémem.

Periventrikulární axonový systém zaujímá mediální stěnu hypotalamu podél třetí komory, mediálně od většiny hypotalamických jader. Obsahuje axony, které spojují hypotalamus s mozkovým kmenem a thalamem. Některé periventrikulární axony z neuronů, které produkují hormony uvolňující hypofýzu, putují do střední eminence, což je cévní oblast na dně třetí komory. Zde vylučují uvolňující hormony do portálních kapilár, které je odvádějí do přední hypofýzy, kde řídí sekreci prolaktinu, tyreotropinu, kortikotropinu, růstového hormonu, gonadotropních hormonů a prolaktinu. Další periventrikulární axony z buněk supraoptického a paraventrikulárního jádra, které produkují oxytocin nebo vazopresin, procházejí přímo stopkou hypofýzy do zadní hypofýzy, kde jejich zakončení vylučují tyto hormony do celkového oběhu. Mnoho neuronů, které produkují uvolňující hormony, je rozptýleno podél stěny třetí komory, smíšené s periventrikulárním systémem. Na bázi třetí komory se však nachází obzvláště velký soubor takových neuronů, nazývaný arkuátní jádro, a podél dorzální části třetí komory je další takový shluk v paraventrikulárním jádře.

Systém laterálních hypotalamických axonů, někdy nazývaný mediální svazek předního mozku, probíhá od rostrální ke kaudální části laterální hypotalamické oblasti a slouží ke spojení mediálnějších jader s předním mozkem nahoře a s mozkovým kmenem dole. Do mediálního předmozkového svazku je vmíseno mnoho poměrně velkých neuronů, jejichž axony se často připojují ke svazku a dosahují až do rostrální mozkové kůry a kaudální části míchy.

Mediální integrační jádra hypotalamu lze zhruba rozdělit do tří skupin od rostrálního ke kaudálnímu. Nejrostrálnější jádra, odpovídající preoptické oblasti, regulují rovnováhu tekutin a elektrolytů, tělesnou teplotu a pohlavní hormony . Na této úrovni se nacházejí také biologické hodiny mozku, suprachiasmatické jádro, které se nachází těsně nad optickým chiasmem, stejně jako neurony, které jsou rozhodující pro navození spánku. Střední třetina hypotalamu obsahuje jádra, která regulují výživu, energetický metabolismus, stresové reakce a koordinují je všechny s cykly bdění a spánku. Kaudální třetina hypotalamu obsahuje neurony, které jsou rozhodující pro udržení bdělosti a reakce na mimořádné události.

Krevní zásobení hypotalamu

Úrazy hypotalamu jsou mizivé, protože hypotalamus má nejbujnější krevní zásobení v mozku, jak se sluší na místo, které je naprosto rozhodující pro udržení života. Hypotalamus je to, co obíhá Willisův kruh. Je doslova obklopen vnitřní krkavicí a bazilárními tepnami a cévami, které je spojují.

Vstupy do hypotalamu

Hypotalamus se nachází na křižovatce v mozku a přijímá přímé smyslové vstupy z čichového, chuťového, zrakového a somatosenzorického systému. Obsahuje v sobě také senzory pro takové věci, jako je teplota krve, hladina cukru a minerálů v krvi a řada hormonů. Hypotalamus tedy přijímá smyslové vstupy potřebné k detekci výzev ve vnitřním i vnějším prostředí.

Hypotalamus navíc přijímá vstupy z oblastí předního mozku včetně hipokampu, amygdaly a cingulární kůry. Tyto struktury tvoří limbický lalok mozku, který přijímá vysoce zpracované smyslové informace z celé mozkové kůry a určuje jejich osobní význam pro jedince. Tyto vstupy řídí širokou škálu emočních reakcí a mnoho jevů, které si spojujeme s emočními projevy (změny srdečního rytmu, červenání, vstávání vlasů atd.), je zprostředkováno hypotalamem.

Homeostatický, alostatický a cirkadiánní kontrolní systém

Hypotalamus chrání životní kapacitu organismu třemi kritickými způsoby. Za prvé musí udržovat dobře regulované vnitřní prostředí koncentrací elektrolytů a osmolality, glukózy a dalších paliv a tělesné teploty. Vnitrobuněčný biochemický mechanismus savčího těla je tomuto prostředí dokonale přizpůsoben a nesnese ani jeho malé změny. Pokud je například vystaven hladině sodíku o 10-15 % vyšší nebo nižší, hladině glukózy nižší než 50 % optima nebo tělesné teplotě o 4-5 °C vyšší nebo nižší než normální, dochází k podstatnému zhoršení mozkových funkcí. K podobným změnám dochází i v jiných tkáních, i když možná ne s tak úzkými hranicemi jako v případě mozku. Hypotalamus proto normálně udržuje homeostázu (řecky „zůstává stejný“), přičemž elektrolyty, jako je sodík, se obvykle udržují v rozmezí 5 % optima; glukóza nad úrovní, která může způsobit poruchy; a tělesná teplota v rozmezí několika desetin stupně optima. Hypotalamus toho dosahuje tím, že má neurony, které buď přijímají vstupy ze senzorických systémů monitorujících tyto veličiny, nebo jsou na ně samy citlivé. Tyto neurony se pokoušejí regulovat tyto parametry podle něčeho, co se rovná požadované hodnotě, podobně jako je termostat v domácnosti nastaven na požadovanou hodnotu.

Na rozdíl od homeostatických systémů hypotalamu se jiné systémy zabývají velkými a nepředvídatelnými poruchami prostředí, které vyžadují změnu chování a fyziologie. Tyto alostatické reakce sahají od rozpoznání a odpovídajícího přizpůsobení se přítomnosti na jedné straně partnera a na druhé straně život ohrožujícího útoku. Reakce mohou zahrnovat přenastavení různých setpointů (např. zvýšení tělesné teploty a krevního tlaku), stejně jako endokrinní úpravy (např. uvolňování kortizolu a adrenalinu při ohrožení) a samozřejmě zahrnují náhlé a dramatické změny chování (od páření k boji nebo útěku).

Kromě provádění úprav vnitřního prostředí, které podporují homeostázu, a reakcí na naléhavé vnější události pomáhá hypotalamus také předvídat denní události, které jsou vyvolány vnějším cyklem den-noc. Ať už jsou zvířata denní (bdí ve dne) nebo noční (bdí v noci), mají předvídatelné časy pro krmení, pití, spánek a sexuální chování. Všechny tyto časy jsou regulovány cirkadiánním časovým systémem v mozku, takže tělo předvídá své různé požadavky a příležitosti. Například bdělost a hladina kortizolu dosahují vrcholu v denní době potřebné k tomu, aby si zvíře obstaralo potravu, zatímco nastavená hodnota tělesné teploty klesá o celý stupeň v denní době, kdy zvíře spí.

Hypotalamická regulace endokrinních, autonomních a behaviorálních funkcí

K tomu, aby hypotalamus vykonával kontrolu nad tolika tělesnými funkcemi, využívá tři hlavní výstupy: autonomní, endokrinní a behaviorální systém. Při autonomní kontrole hypotalamus obsahuje neurony, které vysílají axony přímo do pregangliových neuronů pro sympatický i parasympatický nervový systém. Tyto neurony autonomní kontroly se nacházejí v paraventrikulárních a arkuátních jádrech a v laterální hypotalamické oblasti. Kromě toho má hypotalamus rozsáhlé výstupy do regulačních okruhů mozkového kmene, které regulují autonomní reflexy.

Hypotalamus řídí endokrinní systém třemi způsoby. Za prvé, jak bylo popsáno výše, neurony v paraventrikulárním a supraoptickém jádru vysílají své axony do zadní hypofýzy, kde vylučují oxytocin a vazopresin. Za druhé, neurony v periventrikulárních, paraventrikulárních a arkuátních jádrech vysílají axony do střední eminence, aby vylučovaly hormony uvolňující hypofyzární hormony, které regulují přední hypofýzu. A konečně hypotalamus řídí autonomní výstupy do mnoha periferních endokrinních tkání, které dále regulují jejich sekreci.

Hypotalamická kontrola chování je zprostředkována několika způsoby. Za prvé, laterální hypotalamická oblast a histaminergní tuberomamilární jádro hrají hlavní roli při určování celkové úrovně bdělosti nebo vzrušení. Za druhé, hypotalamické vstupy do různých generátorů motorických vzorů mohou zvyšovat pravděpodobnost specifického chování. Například při hladu musí většina zvířat potravu hledat, poté ji prozkoumat olizováním a očicháváním a nakonec ji zkonzumovat. Hypotalamus může snížit práh pro aktivaci generátorů motorických vzorců pro lokomoci a pro čichání a orální chování, které se podílí na přijímání potravy. Zvířata tak s větší pravděpodobností narazí na potravu a s větší pravděpodobností ji prozkoumají a zkonzumují. Za třetí, existují hypotalamické sestupné výstupy do smyslových systémů, které je mohou senzibilizovat (např. při hladu jídlo lépe chutná) nebo desenzibilizovat (např. při ohrožení není bolest vnímána tak snadno). A konečně hypotalamická kontrola autonomních reakcí může vyvolat signály (kručení v žaludku při hladu; sucho v ústech při žízni), které se dostanou k vědomému ocenění ve vyšších kognitivních systémech jako potřeba zapojit se do chování (v tomto případě jíst nebo pít). Podobně může hypotalamická regulace endokrinních systémů zpětně působit na mozek. Například mnoho neuronů v mozku má receptory pro steroidní hormony, které se podílejí na reprodukci, stresových reakcích nebo vyčerpání soli, a změny těchto hormonů mohou změnit pravděpodobnost různých komplexních chování regulovaných těmito neuronálními systémy.

Hypotalamická kontrola rovnováhy tekutin a elektrolytů

Pro udržení adekvátní perfuze tkání musí hypotalamus regulovat získávání tekutin pitím a kontrolovat osmolalitu a obsah elektrolytů v krvi, stejně jako celkový objem krve. Při nadbytku objemu tekutin musí regulovat diurézu ledvinami. Tyto úkoly jsou pod regulací preoptické oblasti, zejména středního preoptického jádra a organum vasculosum lamina terminalis podél přední stěny třetí komory. Chování při pití je úzce spojeno s krmením a s termoregulací (protože mnoho strategií ochlazování, které mozek používá, zahrnuje ztrátu tepla odpařováním vody).

Hypotalamická kontrola krmení a energetického metabolismu

Nejčastější příčinou smrti většiny zvířat je hladovění. Aby byly zajištěny dostatečné zásoby energie, musí hypotalamus řídit potravní chování a regulovat rychlost metabolismu. Přeměna paliva z cukrů na tuk v době hojnosti nebo bílkovin na palivo v době nedostatku je pod kontrolou hypotalamické autonomní a endokrinní regulace. Kontrolu krmení a energetického metabolismu zajišťuje především arkuátní jádro, které spolupracuje s ventromediálním a dorzomediálním jádrem, paraventrikulárním jádrem a laterálním hypotalamem. Regulace energetického metabolismu je v interakci s reprodukcí (protože zvířata si mohou dovolit rozmnožovat se pouze tehdy, když mají dostatek potravy k zajištění přežití potomstva), termoregulací (v době hladovění klesá rychlost metabolismu a tělesná teplota je nižší) a stavy bdění a spánku (zvířata musí být při hledání potravy bdělá a ostražitá a zcela obrátí své cykly bdění a spánku, pokud je potrava dostupná pouze během jejich normálního spánkového cyklu).

Hypotalamická kontrola termoregulace

Buněčné biochemické reakce vyžadují, aby byla tělesná teplota přísně kontrolována. Například zvýšením tělesné teploty o 2 stupně C během infekce se zvýší aktivita bílých krvinek, zatímco většina bakterií má menší schopnost se množit. Tato malá výhoda pro hostitele může znamenat rozdíl mezi přežitím a smrtí. Termoregulace je řízena především neurony ve středním a mediálním preoptickém jádru a v laterální preoptické oblasti. Obecně mají tyto neurony tendenci inhibovat termogenní oblast v dorzomediálním jádru a paraventrikulárním jádru. Ta vysílají excitační vstupy do skupin buněk mozkového kmene, které zvyšují tělesnou teplotu. Když se tedy hypotalamus zahřeje, inhibiční neurony tento termogenní systém vypnou a tělesná teplota klesne. Termoregulace je v interakci s krmením (protože k produkci tepla a zvýšení rychlosti metabolismu je zapotřebí energie), reprodukcí (protože tělesná teplota je ovlivněna menstruačními cykly) a cykly bdění a spánku (protože tělesná teplota během spánku klesá). Při nedostatku potravních zásob mohou zvířata přejít do stavu torporu neboli hibernace, kdy jejich tělesná teplota klesne přibližně na 30 °C a mozek se dostane do stavu podobného spánku. Naopak při stresu se tělesná teplota zvyšuje.

Hypotalamická kontrola reprodukce

U samic savců udržuje hypotalamus cykly reprodukční připravenosti. Zvířata se do tohoto stavu dostávají (tj. procházejí pubertou) až po dosažení dostatečných zásob tělesné energie a u mnoha druhů i správného ročního období pro rozmnožování. Hypotalamické neurony v periventrikulární oblasti a arcuate nucleus produkují reprodukční hormony a sexuální chování ovlivňují mediální preoptické, ventromediální a ventrální premamilární jádro. Zdá se, že preoptická oblast také reguluje autonomní kontrolu nad genitáliemi (erekce penisu, sekrece lubrikace). Reprodukce je tedy v interakci se systémy kontrolujícími dostatečné zásoby energie, rovnováhu tekutin pro zajištění krevního zásobení vyvíjejícího se plodu a termoregulaci. Je také vysoce vzrušivá.

Hypotalamická kontrola spánku a bdění

Neurony v zadní polovině laterálního hypotalamu, stejně jako v tuberomamilárním jádru, poskytují hlavní vstupy do mozkové kůry a bazálního předního mozku, které se zabývají reakcemi na bdělost a vzrušení a jsou rozhodující pro vytvoření plně bdělého stavu. Tyto neurony a další neurony v mozkovém kmeni, které podporují bdělost, jsou zase pod vlivem hlavního spínače, ventrolaterálního preoptického jádra, které inhibuje složky systému vzrušení během spánku a je nezbytné pro vznik normálních stavů spánku. Systém bdělého spánku, včetně neuronů v laterálním hypotalamu obsahujících peptid orexin, je zase pod kontrolou cirkadiánního systému. Zdá se, že dorsomediální jádro, které přijímá cirkadiánní časové signály ze suprachiasmatického jádra, hraje rozhodující roli v koordinaci obou systémů. Regulace spánku a bdění je v interakci s krmením, pitím a sexuálním a obranným chováním, které samozřejmě vyžadují bdělý stav. Existuje také silná interakce mezi spánkem a termoregulací.

Hypotalamická kontrola stresových reakcí

Když je zvíře napadeno, musí dosáhnout plné vzrušivosti, mobilizovat své energetické zásoby a být připraveno buď k boji, nebo k útěku. Reprodukční chování, hledání potravy a další nepodstatné úkoly musí být potlačeny. Signály, které tuto reakci regulují, musí pocházet z kognitivních a limbických systémů, které jsou schopny vyhodnocovat hrozby. Klíčovou roli v reakcích na stres hraje paraventrikulární jádro, které obsahuje většinu neuronů produkujících kortikotropin uvolňující hormon, který způsobuje uvolňování ACTH a následně steroidů nadledvin. Paraventrikulární jádro obsahuje také mnoho autonomních řídicích neuronů, které jsou nezbytné k vyvolání uvolňování adrenalinu. Laterální hypotalamické neurony však musí být zapojeny, aby uvedly kůru do stavu plné bdělosti, stejně jako mediální hypotalamické neurony, aby mobilizovaly energetické zásoby. Stres inhibuje sexuální chování a v některých případech může vést i k přerušení těhotenství. Protože stres je ze své podstaty nespecifický, tj. může zahrnovat jakýkoli podnět, který ohrožuje přežití, může ze své podstaty interagovat s kterýmkoli z dalších hypotalamických regulačních systémů.

Elmquist, J.K., Coppari, R.., Balthasar, N., Ichinose, M., Lowell, B.B. (2005) Identifying hypothalamic pathways controlling food intake, body weight, and glucose homeostasis. J Comp Neurol. 493:63-71.

Morton, G.J., Cummings, D.E., Baskin, D.G., Barsh G.S., Schewartz, M.W. (2006) Central nervous system control of food intake and body weight. Nature. 443:289-295.

Nakamura, K., and Morrison, S.F. (2007) Central efferent pathways mediating skin cooling-evoked sympathetic thermogenesis in brown adipose tissue (Centrální eferentní dráhy zprostředkující sympatickou termogenezi vyvolanou ochlazováním kůže v hnědé tukové tkáni). Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 292:R127-R136.

Saper, C.B. (2002) The central autonomic nervous system: Stapers, C.: Conscious visceral perception and autonomic pattern generation (Vědomé viscerální vnímání a generování autonomních vzorců). Ann Rev. Neurosci. 25:433-469.

Saper, C.B., Chou, T.C., Elmquist, J.K. (2002) The need to feed: Homeostatic and hedonic control of eating (Potřeba jídla: homeostatická a hedonická kontrola jídla). Neuron 36:199-211.

Saper, C.B. (2003) The hypothalamus. In: Hypothalamus: The Human Nervous System, G. Paxinos, ed. Academic Press, San Diego, s. 513-550.

Saper, C.B., Scammell, T.E., Lu, J. (2005) Hypothalamic regulation of sleep and circadian rhythms. Nature 437:1257-1263.

Simerly, R.B. (2002) Wired for reproduction: Organizace a vývoj pohlavně dimorfních obvodů v předním mozku savců. Annu Rev Neurosci. 2002;25:507-36.

Interní odkazy

• Joseph E. LeDoux (2008) Amygdala. Scholarpedia, 3(4):2698.

• Bill Blessing a Ian Gibbins (2008) Autonomní nervový systém. Scholarpedia, 3(7):2787.

• Valentino Braitenberg (2007) Mozek. Scholarpedia, 2(11):2918.

• Richard Bertram, Joel Tabak, Natalia Toporikova (2006) Models of hypothalamus. Scholarpedia, 1(12):1330.

• Rodolfo Llinas (2008) Neuron. Scholarpedia, 3(8):1490.

• Robert E. Burke (2008) Spinal cord. Scholarpedia, 3(4):1925.

• S. Murray Sherman (2006) Thalamus. Scholarpedia, 1(9):1583.

Viz také

Amygdala, Cirkadiánní rytmus, Limbický systém, Modely hypotalamu

.