Hypothalamus er et lille område i bunden af hjernen, der vejer omkring 4 g ud af et voksent menneskes hjernevægt på 1400 g, men det udfører alligevel en lang række funktioner, der er afgørende for individets overlevelse. Generelt fungerer hypothalamus som en integrator, der regulerer og koordinerer grundlæggende funktioner, der er nødvendige for livet, f.eks. væske- og elektrolytbalance, føde- og energistofskifte, vågen-søvncyklus, termoregulering, stressreaktioner, seksuel adfærd og reproduktion.

• 1 Arkitektur af hypothalamus
  • 1.1 Hypothalamus’ blodforsyning
• 2 Indgange til hypothalamus
• 3 Homeostatiske, allostatiske og cirkadiske kontrolsystemer
• 4 Hypothalamisk regulering af endokrine, autonome, og adfærdsfunktioner
• 5 Hypothalamisk kontrol af væske- og elektrolytbalance
• 6 Hypothalamisk kontrol af føde- og energimetabolisme
• 7 Hypothalamisk kontrol af termoregulering
• 8 Hypothalamisk kontrol af reproduktion
• 9 Hypothalamisk kontrol af søvn og vågenhed
• 10 Hypothalamisk kontrol af stressreaktioner
• 11 Referencer
• 12 Se også

Arkitektur af hypothalamus

Lokaliseret lige bag og mellem øjnene, er den forreste grænse af hypothalamus dannet af det optiske chiasma. Den afgrænses lateralt af de optiske baner og temporallapperne, og den bageste grænse af hypothalamus, der er optaget af mammillærlegemerne, afgrænses af hjernestilkene. Hypothalamus, der bogstaveligt talt ligger under thalamus, er delt i midterlinjen af den tredje ventrikel. Den indeholder en række rimeligt veldifferentierede cellegrupper eller kerner, der er indlejret mellem to større axonbaner, som forbinder den med resten af hjernen og med det endokrine system.

Det periventrikulære axonsystem optager den mediale væg af hypothalamus langs den tredje ventrikel, medial til de fleste af de hypothalamiske kerner. Det indeholder axoner, der forbinder hypothalamus med hjernestammen og thalamus. Nogle periventrikulære axoner, fra neuroner, der producerer hypofysefrigivende hormoner, bevæger sig til den mediane eminence, som er et vaskulært område i bunden af tredje ventrikel. Her udskiller de de frigivende hormoner til portalkapillærerne, som fører dem til den forreste hypofyse, hvor de styrer sekretionen af prolaktin, thyrotropin, corticotropin, væksthormon, gonadotropiske hormoner og prolaktin. Andre periventrikulære axoner fra celler i de supraoptiske og paraventrikulære kerner, der producerer oxytocin eller vasopressin, går direkte gennem hypofysestammen til den bageste hypofyse, hvor deres terminaler udskiller disse hormoner til den almindelige cirkulation. Mange af de neuroner, der producerer frigivende hormoner, er spredt langs væggen af den tredje ventrikel og blandet med det periventrikulære system. Ved bunden af tredje ventrikel er der imidlertid en særlig stor samling af sådanne neuroner, kaldet den buede kerne, og langs den dorsale tredje ventrikel er der en anden sådan klynge i den paraventrikulære kerne.

Det laterale hypothalamiske axonsystem, undertiden kaldet det mediale forhjernebundt, løber fra rostral til kaudalt gennem det laterale hypothalamiske område og tjener til at forbinde de mere mediale kerner med forhjernen foroven og med hjernestammen forneden. Blandet med det mediale forhjernebundt er der mange relativt store neuroner, hvis axoner ofte slutter sig til bundtet og når så langt rostralt som til hjernebarken og så langt caudalt som til rygmarven.

De mediale integrative kerner i hypothalamus kan groft sagt inddeles i tre grupper fra rostral til caudalt. De mest rostrale kerner, der svarer til det præoptiske område, regulerer væske- og elektrolytbalancen, kropstemperaturen og seksuelle hormoner . Hjernens biologiske ur, den suprachiasmatiske kerne, befinder sig også på dette niveau, som ligger lige over det optiske chiasma, ligesom neuroner, der er afgørende for at forårsage søvn. Den midterste tredjedel af hypothalamus indeholder de kerner, der regulerer ernæring, energistofskifte og stressreaktioner og koordinerer alt dette med vågen-søvn-cyklusser. Den kaudale tredjedel af hypothalamus indeholder neuroner, der er kritiske for at opretholde vågenhed og reagere på nødsituationer.

Hypothalamus’ blodforsyning

Slag i hypothalamus er forsvindende sjældne, da hypothalamus har den mest frodige blodforsyning i hjernen, hvilket passer til et sted, der er absolut kritisk for at opretholde livet. Hypothalamus er det, som Willis-cirklen kredser om. Den er bogstaveligt talt omgivet af den indre halspulsåren og basilararterierne og de blodkar, der forbinder dem.

Indgange til hypothalamus

Hypothalamus sidder ved en korsvej i hjernen og modtager direkte sanseindgange fra lugte-, smags-, syns- og somatosensoriske systemer. Den indeholder også i sig selv sensorer for f.eks. blodtemperatur, blodsukker- og mineralniveauer og en række hormoner. Hypothalamus modtager således de sensoriske input, der er nødvendige for at opdage udfordringer i både det indre og det ydre miljø.

Dertil kommer, at hypothalamus modtager input fra områder i forhjernen, herunder hippocampus, amygdala og cingulær cortex. Disse strukturer udgør hjernens limbiske lobe, som modtager stærkt bearbejdet sensorisk information fra hele hjernebarken og bestemmer dens personlige betydning for den enkelte. Disse input styrer en lang række følelsesmæssige reaktioner, og mange af de fænomener, som vi forbinder med følelsesmæssige udtryk (ændringer i hjertefrekvens, rødmen, hårene rejser sig på hovedet osv.), formidles af hypothalamus.

Homeostatiske, allostatiske og cirkadiske kontrolsystemer

Hypothalamus beskytter organismens vitale kapacitet på tre afgørende måder. For det første skal den opretholde et velreguleret indre miljø af elektrolytkoncentrationer og osmolalitet, glukose og andre brændstoffer samt kropstemperatur. Det intracellulære biokemiske maskineri i pattedyrskroppen er yderst velegnet til dette miljø og kan ikke tåle selv små ændringer i det. Når man f.eks. udsættes for et natriumniveau, der er 10-15 % for højt eller for lavt, for et glukoseniveau på under 50 % af det optimale niveau eller for en kropstemperatur på 4-5 grader C over eller under det normale niveau, sker der en betydelig forringelse af hjernefunktionen. Lignende ændringer forekommer i andre væv, om end måske ikke med så snævre marginaler som for hjernen. Hypothalamus opretholder derfor normalt en homøostase (græsk for “forblive det samme”) med elektrolytter som f.eks. natrium, der generelt holdes inden for 5 % af det optimale, glukose over niveauer, der kan forårsage funktionsnedsættelse, og kropstemperaturen inden for et par tiendedele grader af det optimale. Hypothalamus opnår dette ved at have neuroner, der enten modtager input fra sensoriske systemer, som overvåger disse variabler, eller som selv er følsomme over for dem. Disse neuroner forsøger at regulere disse parametre i forhold til hvad der svarer til et setpoint, ligesom termostaten i et hjem justeres til et setpoint.

I modsætning til hypothalamus’ homøostatiske systemer beskæftiger andre systemer sig med store og uforudsigelige forstyrrelser i omgivelserne, som kræver en ændring af adfærd og fysiologi. Disse allostatiske reaktioner spænder fra anerkendelse af og passende tilpasninger til tilstedeværelsen af på den ene side en mage og på den anden side et livstruende angreb. Reaktionerne kan omfatte nulstilling af forskellige setpoints (f.eks. stigning i kropstemperatur og blodtryk) samt endokrine tilpasninger (f.eks. frigivelse af kortisol og adrenalin ved trusler) og naturligvis pludselige og dramatiske adfærdsændringer (fra parring til kamp eller flugt).

Ud over at foretage justeringer af det indre miljø, der understøtter homøostase, og reagere på presserende eksterne begivenheder hjælper hypothalamus også med at foregribe daglige begivenheder, der udløses af den eksterne dag- og natcyklus. Uanset om dyr er dagaktive (vågne om dagen) eller nataktive (vågne om natten), har de forudsigelige tidspunkter for føde-, drikke-, sove- og seksuel adfærd. Alle disse aktiviteter reguleres af det cirkadiske tidssystem i hjernen, således at kroppen forudser sine forskellige krav og muligheder. For eksempel topper vågenhed og kortisolniveauet på det tidspunkt af dagen, der er nødvendigt for et dyr at søge føde, mens setpunktet for kropstemperaturen falder en hel grad på det tidspunkt af dagen, hvor et dyr sover.

Hypothalamus regulerer endokrine, autonome og adfærdsmæssige funktioner

For at udøve sin kontrol over så mange kropsfunktioner bruger hypothalamus tre hovedudgange: de autonome, endokrine og adfærdsmæssige systemer. I den autonome kontrol indeholder hypothalamus neuroner, der sender axoner direkte til de præganglionære neuroner for både det sympatiske og det parasympatiske nervesystem. Disse neuroner til autonom kontrol befinder sig i de paraventrikulære og buede kerner og i det laterale hypothalamiske område. Desuden har hypothalamus omfattende udgange til at justere hjernestammenes kredsløb, der regulerer de autonome reflekser.

Hypothalamus styrer det endokrine system på tre måder. For det første sender neuroner i de paraventrikulære og supraoptiske kerner, som beskrevet ovenfor, deres axoner til at danne den bageste hypofyse, hvor de udskiller oxytocin og vasopressin. For det andet sender neuroner i de periventrikulære, paraventrikulære og buede kerner axoner til den mediane eminence for at udskille hypofysehormonfrigivende hormoner, som regulerer den forreste hypofyse. Endelig kontrollerer hypothalamus de autonome udgange til mange perifere endokrine væv, som yderligere regulerer deres sekretion.

Hypothalamisk kontrol af adfærd formidles på flere måder. For det første spiller det laterale hypothalamiske område og den histaminergiske tuberomammillære kerne en vigtig rolle ved at bestemme det overordnede niveau af vågenhed eller ophidselse. For det andet kan hypothalamiske input til forskellige motoriske mønstergeneratorer øge sandsynligheden for specifikke adfærdsmønstre. Når de fleste dyr f.eks. er sultne, skal de søge efter føde, derefter udforske den ved at slikke og snuse og til sidst indtage den. Hypothalamus kan nedsætte tærsklen for aktivering af motoriske mønstergeneratorer for lokomotion og for sniffing og oral adfærd, der er involveret i indtagelse af føde. Dyrene er således mere tilbøjelige til at støde på føde og mere tilbøjelige til at udforske og indtage den. For det tredje er der hypothalamiske nedadgående output til sensoriske systemer, som kan sensibilisere dem (f.eks. når de er sultne, smager maden bedre) eller desensibilisere dem (f.eks. når de er truede, opfattes smerte ikke så let). Endelig kan hypothalamisk kontrol af autonome reaktioner forårsage signaler (maveknurren, når man er sulten, tør mund, når man er tørstig), som når frem til bevidst vurdering i højere kognitive systemer som et behov for at engagere sig i en adfærd (i dette tilfælde at spise eller drikke). På samme måde kan hypothalamisk regulering af de endokrine systemer give sig tilbage til hjernen. For eksempel har mange neuroner i hjernen receptorer for steroidhormoner, der er involveret i reproduktion, stressreaktioner eller saltudtømning, og ændringer i disse hormoner kan ændre sandsynligheden for forskellige komplekse adfærdsformer, der reguleres af disse neuronale systemer.

Hypothalamisk kontrol af væske- og elektrolytbalancen

For at opretholde en tilstrækkelig vævsperfusion skal hypothalamus regulere væskeoptagelsen ved at drikke og kontrollere blodets osmolalitet og elektrolytindhold samt den samlede blodmængde. Når der er overskydende væskevolumen, skal den regulere diurese gennem nyrerne. Disse opgaver reguleres af det præoptiske område, navnlig den mediane præoptiske kerne og organum vasculosum i lamina terminalis langs den forreste væg af den tredje ventrikel. Drikkeadfærd er tæt forbundet med fødeindtagelse og med termoregulering (da mange af de afkølingsstrategier, som hjernen anvender, indebærer varmetab via vandfordampning).

Hypothalamisk kontrol af fodring og energistofskifte

Den mest almindelige dødsårsag for de fleste dyr er sult. For at sikre tilstrækkelige energilagre skal hypothalamus styre fodringsadfærd og regulere stofskiftet. Omdannelsen af brændstof fra sukker til fedt i perioder med overskud eller af proteiner til brændstof i magre perioder er under kontrol af hypothalamisk autonom og endokrin regulering. Kontrollen af ernæring og energistofskifte varetages hovedsagelig af den buede kerne, der samarbejder med de ventromediale og dorsomediale kerner, den paraventrikulære kerne og den laterale hypothalamus. Reguleringen af energistofskiftet spiller sammen med reproduktion (fordi dyrene kun har råd til at reproducere sig, når der er tilstrækkelig føde til at sikre afkommets overlevelse), termoregulering (i perioder med sult falder stofskiftet, og kropstemperaturen er lavere) og vågen-søvn-tilstande (dyrene skal være vågne og opmærksomme for at søge føde og vil helt omvende deres vågen-søvn-cyklus, hvis der kun er føde til rådighed i deres normale søvncyklus).

Hypothalamisk kontrol af termoregulering

Cellulære biokemiske reaktioner kræver, at kropstemperaturen er nøje kontrolleret. Ved at hæve kropstemperaturen med 2 grader C under en infektion øges f.eks. aktiviteten af hvide blodlegemer, mens de fleste bakterier er mindre i stand til at formere sig. Denne lille fordel for værten kan betyde forskellen mellem overlevelse og død. Termoreguleringen styres hovedsageligt af neuroner i de mediane og mediale præoptiske kerner samt det laterale præoptiske område. Generelt har disse neuroner en tendens til at hæmme et termogenisk område i den dorsomediale kerne og den paraventrikulære kerne. Sidstnævnte sender excitatoriske input til hjernestammens cellegrupper, der øger kropstemperaturen. Så når hypothalamus opvarmes, slukker de hæmmende neuroner for dette termogene system, og kropstemperaturen falder. Termoregulering interagerer med fodring (da der kræves energi til at producere varme og øge stofskiftet), reproduktion (da kropstemperaturen påvirkes af menstruationscyklusser) og vågen-søvn-cyklusser (da kropstemperaturen falder under søvn). Når fødevarelagrene er små, kan dyrene gå ind i en tilstand af torpor eller dvale, hvor kropstemperaturen falder til ca. 30 grader C, og hjernen går ind i en søvnlignende tilstand. På den anden side stiger kropstemperaturen under stress.

Hypothalamisk kontrol af reproduktion

Hypothalamus opretholder hos hunner af pattedyr cyklusser for reproduktiv parathed. Dyrene går ikke ind i denne tilstand (dvs. gennemgår puberteten), før de har opnået tilstrækkelige energidepoter i kroppen og hos mange arter det rette tidspunkt på året til at yngle. Hypothalamiske neuroner i den periventrikulære region og arcuate nucleus producerer reproduktionshormoner, og seksuel adfærd påvirkes af den mediale præoptiske, den ventromediale og den ventrale præmammillære kerne. Det præoptiske område synes også at regulere den autonome kontrol over kønsorganerne (erektion af penis, sekretion af smøremiddel). Reproduktion interagerer således med systemer, der kontrollerer tilstrækkelige energidepoter, væskebalance for at sikre blodforsyningen til fosteret under udvikling og termoregulering. Den er også meget ophidsende.

Hypothalamisk kontrol af søvn og vågenhed

Neuroner i den bageste halvdel af den laterale hypothalamus samt i den tuberomammillære kerne leverer vigtige input til hjernebarken og den basale forhjerne, der vedrører alarm- og ophidselsesreaktioner, og som er afgørende for at producere en fuldt vågen tilstand. Disse neuroner og andre neuroner i hjernestammen, som fremmer vågenhed, er igen under indflydelse af en hovedafbryder, den ventrolaterale præoptiske kerne, som hæmmer komponenterne i vakthedssystemet under søvn, og som er nødvendig for, at der kan opstå normale søvntilstande. Vågn-søvn-systemet, herunder neuroner i den laterale hypothalamus, der indeholder peptidet orexin, er på sin side under kontrol af det cirkadiske system. Den dorsomediale kerne, som modtager cirkadiske tidssignaler fra den suprachiasmatiske kerne, synes at spille en afgørende rolle i koordineringen af de to systemer. Søvn-vågn-reguleringen spiller sammen med føde-, drikke-, seksuel og forsvarsadfærd, som naturligvis alle kræver vågen tilstand. Der er også et stærkt samspil mellem søvn og termoregulering.

Hypothalamisk kontrol af stressreaktioner

Når et dyr er under angreb, skal det nå fuld opvågnen, mobilisere sine energidepoter og være klar enten til kamp eller flugt. Reproduktionsadfærd, fødesøgning og andre ikke-væsentlige opgaver skal hæmmes. De signaler, der regulerer denne reaktion, skal komme fra kognitive og limbiske systemer, der er i stand til at vurdere trusler. Den paraventrikulære kerne spiller en nøglerolle i stressreaktioner, da den indeholder de fleste af de neuroner, der producerer corticotropinfrigivende hormon, som forårsager frigivelse af ACTH og derefter binyrebarksteroider. Den paraventrikulære kerne indeholder også mange af de autonome kontrolneuroner, der er nødvendige for at forårsage adrenalinfrigivelse. De laterale hypothalamiske neuroner skal imidlertid aktiveres for at bringe cortexen i fuld vågen tilstand, ligesom de mediale hypothalamiske neuroner skal mobiliseres for at mobilisere energidepoterne. Stress hæmmer den seksuelle adfærd og kan i nogle tilfælde endda føre til afbrydelse af graviditeten. Da stress i sagens natur er uspecifik, dvs. at det kan omfatte enhver stimulus, der truer overlevelsen, kan det i sagens natur interagere med ethvert af de andre hypothalamiske reguleringssystemer.

Elmquist, J.K., Coppari, R.., Balthasar, N., Ichinose, M., Lowell, B.B. (2005) Identificering af hypothalamiske veje, der kontrollerer fødeindtagelse, kropsvægt og glukosehomeostase. J Comp Neurol. 493:63-71.

Morton, G.J., Cummings, D.E., Baskin, D.G., Barsh G.S., Schewartz, M.W. (2006) Central nervesystemets kontrol af fødeindtagelse og kropsvægt. Nature. 443:289-295.

Nakamura, K., og Morrison, S.F. (2007) Central efferent pathways mediating skin cooling-evoked sympathetic thermogenesis in brown adipose tissue. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 292:R127-R136.

Saper, C.B. (2002) The central autonomic nervous system: Bevidst visceral opfattelse og autonom mønstergenerering. 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. Neuron 36:199-211.

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

Saper, C.B., Scammell, T.E., Lu, J. (2005) Hypothalamisk regulering af søvn og cirkadiske rytmer. Nature 437:1257-1263.

Simerly, R.B. (2002) Wired for reproduktion: organisation og udvikling af seksuelt dimorfe kredsløb i pattedyrs forhjernen. Annu Rev Neurosci. 2002;25:507-36.

Interne referencer

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

• Bill Blessing og Ian Gibbins (2008) Autonomic nervous system. Scholarpedia, 3(7):2787.

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

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

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

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

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

Se også

Amygdala, Cirkadian rytme, Limbisk system, Modeller af hypothalamus