Der Hypothalamus ist ein kleiner Bereich an der Basis des Gehirns, der etwa 4 g des 1400 g schweren Gehirns eines erwachsenen Menschen wiegt, aber eine Vielzahl von Funktionen ausübt, die für das Überleben des Individuums wichtig sind. Im Allgemeinen fungiert der Hypothalamus als Integrator zur Regulierung und Koordinierung grundlegender, lebensnotwendiger Funktionen wie Flüssigkeits- und Elektrolythaushalt, Ernährung und Energiestoffwechsel, Wach-Schlaf-Zyklen, Thermoregulation, Stressreaktionen sowie Sexualverhalten und Fortpflanzung.

• 1 Aufbau des Hypothalamus
  • 1.1 Blutversorgung des Hypothalamus
• 2 Eingänge zum Hypothalamus
• 3 Homöostatische, allostatische und zirkadiane Kontrollsysteme
• 4 Hypothalamische Regulierung von endokrinen, autonomen, und Verhaltensfunktionen
• 5 Hypothalamische Kontrolle des Flüssigkeits- und Elektrolythaushalts
• 6 Hypothalamische Kontrolle der Ernährung und des Energiestoffwechsels
• 7 Hypothalamische Kontrolle der Thermoregulation
• 8 Hypothalamische Kontrolle der Reproduktion
• 9 Hypothalamische Steuerung von Schlaf und Wachsein
• 10 Hypothalamische Steuerung von Stressreaktionen
• 11 Referenzen
• 12 Siehe auch

Architektur des Hypothalamus

Der Hypothalamus liegt direkt hinter und zwischen den Augen, Die vordere Grenze des Hypothalamus wird durch das Chiasma opticum gebildet. Seitlich wird er von den Sehnervenbahnen und den Schläfenlappen begrenzt, und die hintere Grenze des Hypothalamus, die von den Mammillarkörpern eingenommen wird, wird von den Hirnstämmen begrenzt. Der Hypothalamus, der buchstäblich unterhalb des Thalamus liegt, wird in der Mittellinie durch den dritten Ventrikel geteilt. Er enthält eine Reihe von recht gut differenzierten Zellgruppen oder Kernen, die zwischen zwei großen axonalen Bahnen liegen, die ihn mit dem Rest des Gehirns und dem endokrinen System verbinden.

Das periventrikuläre Axonsystem nimmt die mediale Wand des Hypothalamus entlang des dritten Ventrikels ein, medial der meisten hypothalamischen Kerne. Es enthält Axone, die den Hypothalamus mit dem Hirnstamm und dem Thalamus verbinden. Einige periventrikuläre Axone von Neuronen, die Hypophysenfreisetzungshormone produzieren, wandern zur Eminenz mediana, einem Gefäßbereich im Boden des dritten Ventrikels. Hier geben sie die Releasing-Hormone in die Portalkapillaren ab, die sie zum Hypophysenvorderlappen transportieren, wo sie die Sekretion von Prolaktin, Thyreotropin, Corticotropin, Wachstumshormon, gonadotropen Hormonen und Prolaktin steuern. Andere periventrikuläre Axone, die von Zellen des supraoptischen und paraventrikulären Kerns stammen, die Oxytocin oder Vasopressin produzieren, ziehen direkt durch den Hypophysenstiel zum Hypophysenhinterlappen, wo ihre Endigungen diese Hormone in den allgemeinen Kreislauf absondern. Viele der Neuronen, die Releasing-Hormone produzieren, sind entlang der Wand des dritten Ventrikels verstreut und mit dem periventrikulären System vermischt. An der Basis des dritten Ventrikels befindet sich jedoch eine besonders große Ansammlung solcher Neuronen, die als Nucleus arcuatus bezeichnet wird, und entlang des dorsalen dritten Ventrikels befindet sich eine weitere derartige Ansammlung im Nucleus paraventricularis.

Das laterale hypothalamische Axonsystem, das manchmal auch als mediales Vorderhirnbündel bezeichnet wird, verläuft von rostral nach kaudal durch das laterale hypothalamische Gebiet und dient dazu, die medialeren Kerne mit dem Vorderhirn oben und mit dem Hirnstamm unten zu verbinden. Mit dem medialen Vorderhirnbündel sind viele relativ große Neuronen vermischt, deren Axone sich häufig dem Bündel anschließen und rostral bis zur Großhirnrinde und kaudal bis zum Rückenmark reichen.

Die medialen integrativen Kerne des Hypothalamus lassen sich grob in drei Gruppen von rostral nach kaudal einteilen. Die rostralsten Kerne, die dem präoptischen Bereich entsprechen, regulieren den Flüssigkeits- und Elektrolythaushalt, die Körpertemperatur und die Sexualhormone. Die biologische Uhr des Gehirns, der Nucleus suprachiasmaticus, befindet sich ebenfalls auf dieser Ebene, die direkt über dem Chiasma opticum liegt, ebenso wie Neuronen, die für den Schlaf entscheidend sind. Im mittleren Drittel des Hypothalamus befinden sich die Kerne, die die Nahrungsaufnahme, den Energiestoffwechsel und die Stressreaktionen regulieren und all dies mit den Wach-Schlaf-Zyklen koordinieren. Das kaudale Drittel des Hypothalamus enthält Neuronen, die für die Aufrechterhaltung des Wachzustandes und die Reaktion auf Notfälle entscheidend sind.

Blutversorgung des Hypothalamus

Schlaganfälle im Hypothalamus sind verschwindend selten, da der Hypothalamus über die üppigste Blutversorgung im Gehirn verfügt, wie es sich für eine Stelle gehört, die für die Aufrechterhaltung des Lebens absolut entscheidend ist. Der Hypothalamus ist das, was der Circulus Willis umkreist. Er ist buchstäblich umgeben von den Arterien carotis interna und basilaris und den Blutgefäßen, die sie miteinander verbinden.

Eingänge zum Hypothalamus

Der Hypothalamus sitzt an einer Kreuzung im Gehirn und empfängt direkte sensorische Eingänge aus dem Geruchs-, Geschmacks-, Seh- und Somatosensoriksystem. Er enthält auch Sensoren für die Bluttemperatur, den Blutzucker- und Mineralienspiegel und eine Reihe von Hormonen. So erhält der Hypothalamus sensorische Eingaben, die notwendig sind, um Herausforderungen in der inneren und äußeren Umgebung zu erkennen.

Außerdem erhält der Hypothalamus Eingaben von Bereichen des Vorderhirns wie dem Hippocampus, der Amygdala und dem cingulären Kortex. Diese Strukturen bilden den limbischen Lappen des Gehirns, der hochgradig verarbeitete sensorische Informationen aus der gesamten Großhirnrinde empfängt und deren persönliche Bedeutung für das Individuum bestimmt. Diese Eingänge steuern ein breites Spektrum emotionaler Reaktionen, und viele der Phänomene, die wir mit emotionalem Ausdruck in Verbindung bringen (Veränderungen der Herzfrequenz, Erröten, sich aufstellende Haare usw.), werden vom Hypothalamus vermittelt.

Homöostatische, allostatische und zirkadiane Kontrollsysteme

Der Hypothalamus schützt die lebenswichtigen Kapazitäten des Organismus auf drei entscheidende Arten. Erstens muss er ein gut reguliertes internes Milieu von Elektrolytkonzentrationen und Osmolalität, Glukose und anderen Brennstoffen sowie der Körpertemperatur aufrechterhalten. Die intrazelluläre biochemische Maschinerie des Säugetierkörpers ist hervorragend an dieses Milieu angepasst und kann nicht einmal kleine Veränderungen dulden. Wenn beispielsweise der Natriumgehalt um 10-15 % zu hoch oder zu niedrig ist, der Glukosespiegel weniger als 50 % des Optimalwerts beträgt oder die Körpertemperatur 4-5 °C über oder unter dem Normalwert liegt, kommt es zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Gehirnfunktion. Ähnliche Veränderungen treten auch in anderen Geweben auf, wenn auch vielleicht mit nicht ganz so engen Grenzen wie im Gehirn. Der Hypothalamus hält daher normalerweise eine Homöostase (griechisch für „gleich bleiben“) aufrecht, wobei Elektrolyte wie Natrium im Allgemeinen innerhalb von 5 % des Optimalwerts gehalten werden, Glukose oberhalb der Werte, die zu Beeinträchtigungen führen können, und die Körpertemperatur innerhalb weniger Zehntelgrade des Optimalwerts. Der Hypothalamus erreicht dies, indem er über Neuronen verfügt, die entweder Eingaben von sensorischen Systemen erhalten, die diese Variablen überwachen, oder selbst auf sie reagieren. Diese Neuronen versuchen, diese Parameter gegen einen Sollwert zu regulieren, so wie der Thermostat in einer Wohnung auf einen Sollwert eingestellt wird.

Im Gegensatz zu den homöostatischen Systemen des Hypothalamus sind andere Systeme mit großen und unvorhersehbaren Störungen der Umwelt konfrontiert, die eine Änderung des Verhaltens und der Physiologie erfordern. Diese allostatischen Reaktionen reichen von der Erkennung und angemessenen Anpassung an das Vorhandensein eines Gefährten bis hin zu einem lebensbedrohlichen Angriff. Die Reaktionen können das Zurücksetzen verschiedener Sollwerte (z. B. Anstieg der Körpertemperatur und des Blutdrucks) sowie endokrine Anpassungen (z. B. Cortisol- und Adrenalinausschüttung bei Bedrohung) umfassen, und natürlich auch abrupte und dramatische Verhaltensänderungen (von der Paarung bis zum Kampf oder zur Flucht).

Der Hypothalamus nimmt nicht nur Anpassungen des inneren Milieus vor, die die Homöostase unterstützen, und reagiert auf dringende äußere Ereignisse, sondern hilft auch, tägliche Ereignisse zu antizipieren, die durch den äußeren Tag-Nacht-Zyklus ausgelöst werden. Unabhängig davon, ob Tiere tagaktiv (am Tag wach) oder nachtaktiv (nachts wach) sind, haben sie vorhersehbare Zeiten für Fressen, Trinken, Schlafen und Sexualverhalten. All dies wird durch das zirkadiane Zeitsystem im Gehirn geregelt, so dass der Körper die verschiedenen Anforderungen und Gelegenheiten vorhersehen kann. Zum Beispiel erreichen die Wachheit und der Cortisolspiegel ihren Höhepunkt zu der Tageszeit, die ein Tier für die Nahrungssuche benötigt, während der Sollwert für die Körpertemperatur während der Tageszeit, in der ein Tier schläft, um ein ganzes Grad sinkt.

Hypothalamische Regulierung von endokrinen, autonomen und Verhaltensfunktionen

Um seine Kontrolle über so viele Körperfunktionen auszuüben, verwendet der Hypothalamus drei Hauptausgänge: autonome, endokrine und Verhaltenssysteme. Bei der autonomen Steuerung enthält der Hypothalamus Neuronen, die Axone direkt zu den präganglionären Neuronen für das sympathische und parasympathische Nervensystem senden. Diese Neuronen zur autonomen Steuerung befinden sich in den paraventrikulären und arcuaten Kernen sowie im lateralen Hypothalamusbereich. Darüber hinaus verfügt der Hypothalamus über umfangreiche Ausgänge zur Regulierung der Hirnstamm-Schaltkreise, die die autonomen Reflexe steuern.

Der Hypothalamus steuert das endokrine System auf drei Arten. Erstens senden, wie oben beschrieben, Neuronen im paraventrikulären und supraoptischen Kern ihre Axone zur Hypophysenhinterwand, wo sie Oxytocin und Vasopressin sezernieren. Zweitens senden Neuronen der periventrikulären, paraventrikulären und arcuaten Kerne Axone zur Eminenz mediana, um Hypophysenhormon-Releasing-Hormone abzusondern, die den Hypophysenvorderlappen regulieren. Schließlich steuert der Hypothalamus die autonomen Ausgänge zu vielen peripheren endokrinen Geweben, die ihre Sekretion weiter regulieren.

Die hypothalamische Kontrolle des Verhaltens wird auf verschiedene Weise vermittelt. Erstens spielen das laterale hypothalamische Areal und der histaminerge tuberomammilläre Nukleus eine wichtige Rolle bei der Bestimmung des Gesamtniveaus von Wachsein oder Erregung. Zweitens können hypothalamische Eingänge zu verschiedenen motorischen Mustergeneratoren die Wahrscheinlichkeit bestimmter Verhaltensweisen erhöhen. Wenn sie beispielsweise hungrig sind, müssen die meisten Tiere nach Nahrung suchen, sie dann durch Lecken und Schnüffeln erkunden und sie schließlich verzehren. Der Hypothalamus kann die Schwelle für die Aktivierung der motorischen Mustergeneratoren für die Fortbewegung sowie für das Schnüffel- und Mundverhalten senken, die mit der Nahrungsaufnahme verbunden sind. Dadurch ist es wahrscheinlicher, dass die Tiere auf Nahrung stoßen und diese erkunden und verzehren. Drittens gibt es absteigende Ausgänge des Hypothalamus zu den sensorischen Systemen, die diese sensibilisieren (z. B. wenn sie hungrig sind, schmeckt das Futter besser) oder desensibilisieren (z. B. wenn sie bedroht werden, wird Schmerz nicht so leicht wahrgenommen). Schließlich kann die hypothalamische Kontrolle der autonomen Reaktionen Signale auslösen (Magenknurren bei Hunger; trockener Mund bei Durst), die von höheren kognitiven Systemen als Notwendigkeit für ein Verhalten (in diesem Fall Essen oder Trinken) bewusst wahrgenommen werden. In ähnlicher Weise kann die hypothalamische Regulierung der endokrinen Systeme auf das Gehirn zurückwirken. So haben beispielsweise viele Neuronen im Gehirn Rezeptoren für Steroidhormone, die an der Fortpflanzung, an Stressreaktionen oder am Salzverlust beteiligt sind, und Veränderungen dieser Hormone können die Wahrscheinlichkeit verschiedener komplexer Verhaltensweisen verändern, die von diesen neuronalen Systemen reguliert werden.

Hypothalamische Kontrolle des Flüssigkeits- und Elektrolythaushalts

Um eine angemessene Gewebedurchblutung aufrechtzuerhalten, muss der Hypothalamus die Flüssigkeitsaufnahme durch Trinken regulieren und die Osmolalität und den Elektrolytgehalt des Blutes sowie das Gesamtblutvolumen kontrollieren. Bei überschüssigem Flüssigkeitsvolumen muss er die Diurese durch die Niere regulieren. Diese Aufgaben werden vom präoptischen Areal, insbesondere dem medianen präoptischen Kern und dem Organum vasculosum der Lamina terminalis entlang der vorderen Wand des dritten Ventrikels, gesteuert. Das Trinkverhalten ist eng mit der Nahrungsaufnahme und mit der Thermoregulation verbunden (da viele der vom Gehirn angewandten Kühlstrategien den Wärmeverlust durch Wasserverdunstung beinhalten).

Hypothalamische Steuerung von Fütterung und Energiestoffwechsel

Die häufigste Todesursache bei den meisten Tieren ist der Hunger. Um eine ausreichende Energieversorgung zu gewährleisten, muss der Hypothalamus das Fressverhalten steuern und die Stoffwechselrate regulieren. Die Umwandlung von Zucker in Fett in Zeiten des Überflusses bzw. von Proteinen in Kraftstoff in mageren Zeiten unterliegt der Kontrolle der autonomen und endokrinen Steuerung des Hypothalamus. Die Steuerung der Nahrungsaufnahme und des Energiestoffwechsels erfolgt hauptsächlich durch den Nucleus arcuatus, der mit dem Nucleus ventromedialis und dorsomedialis, dem Nucleus paraventricularis und dem lateralen Hypothalamus zusammenarbeitet. Die Regulierung des Energiestoffwechsels steht in Wechselwirkung mit der Fortpflanzung (denn Tiere können sich nur fortpflanzen, wenn genügend Nahrung vorhanden ist, um das Überleben der Nachkommen zu sichern), der Thermoregulation (in Zeiten des Hungers sinkt die Stoffwechselrate und die Körpertemperatur ist niedriger) und dem Wach-Schlaf-Zustand (Tiere müssen wach und aufmerksam sein, um nach Nahrung zu suchen, und kehren ihren Wach-Schlaf-Zyklus vollständig um, wenn Nahrung nur während ihres normalen Schlafzyklus verfügbar ist).

Hypothalamische Kontrolle der Thermoregulation

Zelluläre biochemische Reaktionen erfordern eine strenge Kontrolle der Körpertemperatur. Erhöht man zum Beispiel während einer Infektion die Körpertemperatur um 2 Grad Celsius, so wird die Aktivität der weißen Blutkörperchen erhöht, während sich die meisten Bakterien weniger gut vermehren können. Dieser kleine Vorteil für den Wirt kann den Unterschied zwischen Überleben und Tod ausmachen. Die Thermoregulation wird hauptsächlich von Neuronen im medianen und medialen präoptischen Kern sowie im lateralen präoptischen Bereich gesteuert. Im Allgemeinen neigen diese Neuronen dazu, eine thermogene Region im dorsomedialen und paraventrikulären Nukleus zu hemmen. Letztere senden erregende Signale an Zellgruppen im Hirnstamm, die die Körpertemperatur erhöhen. Wenn also der Hypothalamus erwärmt wird, schalten hemmende Neuronen dieses thermogene System ab, und die Körpertemperatur sinkt. Die Thermoregulation steht in Wechselwirkung mit der Nahrungsaufnahme (da Energie zur Erzeugung von Wärme und zur Erhöhung der Stoffwechselrate benötigt wird), der Fortpflanzung (da die Körpertemperatur durch den Menstruationszyklus beeinflusst wird) und dem Wach-Schlaf-Zyklus (da die Körpertemperatur während des Schlafs sinkt). Wenn die Nahrungsvorräte knapp werden, können die Tiere in einen Torpor (Winterschlaf) verfallen, bei dem die Körpertemperatur auf etwa 30 Grad Celsius sinkt und das Gehirn in einen schlafähnlichen Zustand übergeht. Andererseits steigt die Körpertemperatur bei Stress an.

Hypothalamische Steuerung der Fortpflanzung

Bei weiblichen Säugetieren hält der Hypothalamus die Zyklen der Fortpflanzungsbereitschaft aufrecht. Die Tiere treten erst dann in diesen Zustand ein (d. h. sie kommen in die Pubertät), wenn sie genügend Energie im Körper gespeichert haben und bei vielen Arten die richtige Jahreszeit für die Fortpflanzung erreicht haben. Hypothalamische Neuronen in der periventrikulären Region und im Nucleus arcuatus produzieren Fortpflanzungshormone, und das Sexualverhalten wird von den medialen präoptischen, den ventromedialen und den ventralen prämammillären Kernen beeinflusst. Der präoptische Bereich scheint auch die autonome Kontrolle über die Genitalien (Erektion des Penis, Sekretion von Gleitmittel) zu regulieren. Die Fortpflanzung steht somit in Wechselwirkung mit Systemen, die angemessene Energiespeicher, den Flüssigkeitshaushalt zur Sicherstellung der Blutversorgung des sich entwickelnden Fötus und die Thermoregulation steuern. Außerdem ist sie hochgradig erregend.

Hypothalamische Kontrolle von Schlaf und Wachsein

Neuronen in der hinteren Hälfte des lateralen Hypothalamus sowie im Nucleus tuberomammillaris liefern wichtige Inputs für die Großhirnrinde und das basale Vorderhirn, die mit Alarm- und Erregungsreaktionen zu tun haben und für die Herstellung eines vollständig wachen Zustands entscheidend sind. Diese Neuronen und andere Neuronen im Hirnstamm, die das Wachsein fördern, stehen wiederum unter dem Einfluss eines Hauptschalters, des ventrolateralen präoptischen Kerns, der die Komponenten des Erregungssystems während des Schlafs hemmt und für das Auftreten normaler Schlafzustände erforderlich ist. Das Wach-Schlaf-System, einschließlich der Neuronen im lateralen Hypothalamus, die das Peptid Orexin enthalten, steht wiederum unter der Kontrolle des zirkadianen Systems. Der dorsomediale Nukleus, der zirkadiane Zeitsignale vom suprachiasmatischen Nukleus empfängt, scheint eine entscheidende Rolle bei der Koordinierung der beiden Systeme zu spielen. Die Schlaf-Wach-Regulierung steht in Wechselwirkung mit der Nahrungsaufnahme, dem Trinkverhalten sowie dem Sexual- und Verteidigungsverhalten, die natürlich alle einen Wachzustand erfordern. Es besteht auch eine starke Wechselwirkung zwischen Schlaf und Thermoregulation.

Hypothalamische Kontrolle von Stressreaktionen

Wenn ein Tier angegriffen wird, muss es volle Erregung erreichen, seine Energiespeicher mobilisieren und entweder zum Kampf oder zur Flucht bereit sein. Fortpflanzungsverhalten, Nahrungssuche und andere nicht lebensnotwendige Aufgaben müssen gehemmt werden. Die Signale, die diese Reaktion regulieren, müssen von kognitiven und limbischen Systemen stammen, die in der Lage sind, Bedrohungen zu bewerten. Der paraventrikuläre Kern spielt eine Schlüsselrolle bei Stressreaktionen, da er die meisten Neuronen enthält, die das Corticotropin-Releasing-Hormon produzieren, das die Freisetzung von ACTH und anschließend von Nebennierensteroiden bewirkt. Der paraventrikuläre Kern enthält auch viele der Neuronen zur autonomen Steuerung, die für die Adrenalinausschüttung erforderlich sind. Allerdings müssen die lateralen hypothalamischen Neuronen aktiviert werden, um den Kortex in einen vollen Wachzustand zu versetzen, ebenso wie die medialen hypothalamischen Neuronen, um die Energiespeicher zu mobilisieren. Stress hemmt das Sexualverhalten und kann in manchen Fällen sogar zu einer Unterbrechung der Schwangerschaft führen. Da Stress von Natur aus unspezifisch ist, d. h. er kann jeden Stimulus umfassen, der das Überleben bedroht, kann er von Natur aus mit jedem der anderen hypothalamischen Regulationssysteme interagieren.

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Siehe auch

Amygdala, Zirkadianer Rhythmus, Limbisches System, Modelle des Hypothalamus