A hipotalamusz egy kis terület az agy alján, körülbelül 4 grammot nyom egy felnőtt ember 1400 grammos agytömegéből, mégis számos olyan funkciót lát el, amelyek létfontosságúak az egyén túlélése szempontjából. Általánosságban elmondható, hogy a hipotalamusz integrátorként szabályozza és koordinálja az élethez szükséges alapvető funkciókat, mint például a folyadék- és elektrolitegyensúlyt; a táplálkozást és az energia-anyagcserét; az ébrenléti-álom ciklusokat; a hőszabályozást; a stresszre adott válaszokat; valamint a szexuális viselkedést és a szaporodást.

• 1 A hipotalamusz felépítése
  • 1.1 A hipotalamusz vérellátása
• 2 A hipotalamusz bemenetei
• 3 Homeosztatikus, allosztatikus és cirkadián szabályozási rendszerek
• 4 Az endokrin, autonóm, és viselkedési funkciók
• 5 A folyadék- és elektrolitegyensúly hipotalamikus szabályozása
• 6 A táplálkozás és az energia-anyagcsere hipotalamikus szabályozása
• 7 A hőszabályozás hipotalamikus szabályozása
• 8 A szaporodás hipotalamikus szabályozása
• 9 Az alvás és az ébrenlét hipotalamikus kontrollja
• 10 A stresszreakciók hipotalamikus kontrollja
• 11 Hivatkozások
• 12 Lásd még

A hipotalamusz felépítése

A közvetlenül a szem mögött és között helyezkedik el, a hypothalamus elülső határát a chiasma opticus képezi. Oldalról a látóidegpályák és a halántéklebenyek határolják, a hipotalamusz hátsó határát pedig, amelyet a mammilláris testek foglalnak el, az agyi pedunculusok határolják. A hipotalamuszt, amely szó szerint a talamusz alatt helyezkedik el, a középvonalban a harmadik kamra osztja. Meglehetősen jól differenciált sejtcsoportok vagy sejtmagok sorát tartalmazza, amelyek a nagy axonális pályák közé vannak szorítva, amelyek összekötik az agy többi részével és az endokrin rendszerrel.

A periventrikuláris axonrendszer a hipotalamusz mediális falát foglalja el a harmadik kamra mentén, medialisan a legtöbb hipotalamuszmagtól. Olyan axonokat tartalmaz, amelyek a hipotalamuszt az agytörzzsel és a talamussal kötik össze. Néhány periventrikuláris axon – az agyalapi mirigy felszabadító hormonokat termelő neuronoktól – a medián eminenciába halad, amely a harmadik kamra alján lévő érterület. Itt a felszabadító hormonokat a portális kapillárisokba választják ki, amelyek az elülső agyalapi mirigybe szállítják őket, ahol a prolaktin, a tirotropin, a kortikotropin, a növekedési hormon, a gonadotrop hormonok és a prolaktin szekrécióját szabályozzák. Más periventricularis axonok az oxitocint vagy vazopressint termelő supraopticus és paraventricularis magok sejtjeiből közvetlenül az agyalapi mirigy szárán keresztül a hátsó agyalapi mirigybe jutnak, ahol a terminálisaik ezeket a hormonokat az általános keringésbe választják ki. A felszabadító hormonokat termelő neuronok közül sok a harmadik kamra fala mentén szétszóródva, a periventrikuláris rendszerrel keveredve található. A harmadik kamra tövében azonban van egy különösen nagy gyűjteménye az ilyen neuronoknak, az úgynevezett íves mag, és a dorsalis harmadik kamra mentén van egy másik ilyen csomó a paraventricularis magban.

A laterális hipotalamusz axonrendszere, amelyet néha mediális előagyi kötegnek neveznek, rostralisan és caudalisan halad át a laterális hipotalamusz területén, és arra szolgál, hogy összekösse a mediálisabb magokat a fenti előagyval és az alsó agytörzzsel. A mediális előagyi kötegbe számos viszonylag nagyméretű neuron keveredik, amelyek axonjai gyakran csatlakoznak a köteghez, és rostrálisan egészen az agykéregig, caudálisan pedig a gerincvelőig érnek.

A hipotalamusz mediális integratív magjai nagyjából három csoportra oszthatók rostralisan és caudalisan. A legrostrálisabb, a preoptikus területnek megfelelő magok szabályozzák a folyadék- és elektrolitegyensúlyt, a testhőmérsékletet és a nemi hormonokat . Az agy biológiai órája, a suprachiasmatikus mag szintén ezen a szinten található, amely közvetlenül a látóidegcsatorna fölött helyezkedik el, csakúgy, mint az alvás kiváltásában fontos szerepet játszó neuronok. A hipotalamusz középső harmada tartalmazza azokat a magokat, amelyek a táplálkozást, az energiaanyagcserét, a stresszre adott válaszokat szabályozzák, és mindezeket összehangolják az ébrenléti-alvási ciklusokkal. A hipotalamusz caudalis harmada tartalmazza az ébrenlét fenntartásában és a vészhelyzetekre való reagálásban kritikus fontosságú neuronokat.

A hipotalamusz vérellátása

A hipotalamuszt ért agyvérzések elenyészően ritkák, mivel a hipotalamusz rendelkezik a legpazarabb vérellátással az agyban, ami illik egy olyan helyhez, amely az élet fenntartásához elengedhetetlenül kritikus. A hipotalamusz az, amit a Willis-kör kering. Szó szerint körülveszik a belső nyaki és bazilaris artériák, valamint az ezeket összekötő erek.

A hipotalamusz bemenetei

A hipotalamusz az agy kereszteződésében helyezkedik el, közvetlen érzékszervi bemeneteket kap a szaglás, az ízlelés, a látás és a szomatoszenzoros rendszerekből. Ezen kívül olyan érzékelőket is tartalmaz magában, mint a vérhőmérséklet, a vércukor- és ásványi anyagszint, valamint különféle hormonok. Így a hipotalamusz a belső és a külső környezet kihívásainak észleléséhez szükséges érzékszervi bemeneteket kap.

A hipotalamusz emellett olyan előagyi területekről is kap bemeneteket, mint a hippokampusz, az amygdala és a cinguláris kéreg. Ezek a struktúrák alkotják az agy limbikus lebenyét, amely az egész agykéregből nagymértékben feldolgozott érzékszervi információkat kap, és meghatározza azok személyes fontosságát az egyén számára. Ezek a bemenetek az érzelmi válaszok széles skáláját irányítják, és számos olyan jelenséget, amelyet az érzelmi kifejezéshez kapcsolunk (a szívritmus változása, elpirulás, égnek álló haj stb.), a hipotalamusz közvetít.

Homeosztatikus, allosztatikus és cirkadián szabályozórendszerek

A hipotalamusz három kritikus módon védi a szervezet létfontosságú kapacitását. Először is, fenn kell tartania az elektrolitkoncentráció és az ozmolalitás, a glükóz és más üzemanyagok, valamint a testhőmérséklet jól szabályozott belső miliőjét. Az emlősök intracelluláris biokémiai gépezete kiválóan alkalmazkodik ehhez a környezethez, és még a legkisebb változásokat sem tolerálja. Ha például 10-15%-kal túl magas vagy túl alacsony nátriumszintnek, az optimális szint 50%-ánál alacsonyabb glükózszintnek, vagy a normálisnál 4-5 Celsius-fokkal magasabb vagy alacsonyabb testhőmérsékletnek vagyunk kitéve, az agyműködés jelentős romlása következik be. Hasonló változások más szövetekben is előfordulnak, bár talán nem olyan szűk határokkal, mint az agy esetében. A hipotalamusz ezért általában fenntartja a homeosztázist (görögül “változatlanul marad”), az elektrolitokat, például a nátriumot általában az optimum 5%-án belül tartja; a glükózt az olyan szintek felett, amelyek károsodást okozhatnak; és a testhőmérsékletet az optimum néhány tized fokán belül tartja. A hipotalamusz ezt úgy éri el, hogy olyan neuronokkal rendelkezik, amelyek vagy bemeneteket kapnak az ezeket a változókat figyelő érzékszervi rendszerektől, vagy maguk is érzékenyek rájuk. Ezek az idegsejtek megpróbálják szabályozni ezeket a paramétereket egy bizonyos beállítási ponthoz képest, ahogyan az otthoni termosztátot is egy beállítási ponthoz igazítják.

A hipotalamusz homeosztatikus rendszereivel ellentétben más rendszerek a környezet nagy és kiszámíthatatlan perturbációival foglalkoznak, amelyek a viselkedés és a fiziológia megváltoztatását igénylik. Ezek az allosztatikus válaszok egyrészt egy társ, másrészt egy életveszélyes támadás felismerésétől és az ahhoz való megfelelő alkalmazkodásig terjednek. A válaszok magukban foglalhatják a különböző beállítási pontok visszaállítását (pl. a testhőmérséklet és a vérnyomás emelkedése), valamint az endokrin alkalmazkodást (pl. kortizol- és adrenalin-felszabadulás fenyegetettség esetén), és természetesen a viselkedés hirtelen és drámai változásait is (a párzástól a harc vagy menekülésig).

A belső miliőnek a homeosztázist támogató kiigazításai és a sürgős külső eseményekre való reagálás mellett a hipotalamusz segít a külső nappali-éjszakai ciklus által kiváltott napi események előrejelzésében is. Akár nappali (nappal ébren lévő), akár éjszakai (éjszaka ébren lévő) állatokról van szó, az állatoknak kiszámítható idejük van a táplálkozásra, ivásra, alvásra és szexuális viselkedésre. Mindezeket az agy cirkadián időzítési rendszere szabályozza, így a szervezet előre jelzi a különböző igényeket és lehetőségeket. Például az ébrenlét és a kortizolszint az állat táplálékkereséséhez szükséges napszakban tetőzik, míg a testhőmérséklet beállítási pontja egy teljes fokot csökken abban a napszakban, amikor az állat alszik.

Az endokrin, autonóm és viselkedési funkciók hipotalamikus szabályozása

A hipotalamusz három fő kimenetet használ ahhoz, hogy ennyi testi funkció felett gyakoroljon ellenőrzést: a vegetatív, az endokrin és a viselkedési rendszert. A vegetatív szabályozásban a hipotalamusz olyan neuronokat tartalmaz, amelyek axonokat küldenek közvetlenül a szimpatikus és paraszimpatikus idegrendszer preganglionikus neuronjaihoz. Ezek a vegetatív irányító neuronok a paraventricularis és az arcuatus magokban, valamint az oldalsó hipotalamikus területen találhatók. Ezenkívül a hipotalamusznak kiterjedt kimenetei vannak a vegetatív reflexeket szabályozó agytörzsi áramkörök beállítására.

A hipotalamusz háromféleképpen irányítja az endokrin rendszert. Először is, a fent leírtak szerint a paraventricularis és supraopticus magok neuronjai axonjaikat a hátsó agyalapi mirigy kialakítására küldik, ahol oxitocint és vazopressint választanak ki. Másodszor, a periventricularis, paraventricularis és arcuatus magok neuronjai axonokat küldenek a medián eminenciába, hogy hipofízis hormonokat felszabadító hormonokat szekretáljanak, amelyek az elülső agyalapi mirigyet szabályozzák. Végül a hipotalamusz számos perifériás endokrin szövet autonóm kimenetét irányítja, amelyek tovább szabályozzák azok szekrécióját.

A viselkedés hipotalamikus kontrollja többféle módon közvetül. Először is, a laterális hipotalamusz terület és a hisztaminerg tuberomammilláris mag jelentős szerepet játszik az ébrenlét vagy az arousal általános szintjének meghatározásában. Másodszor, a különböző motoros mintagenerátorok hipotalamikus bemenetei növelhetik a specifikus viselkedések valószínűségét. Éhség esetén például a legtöbb állatnak szüksége van arra, hogy táplálékot keressen, majd nyalogatva és szimatolva felfedezze azt, végül pedig elfogyassza. A hipotalamusz csökkentheti a motoros mintagenerátorok aktiválódási küszöbét a helyváltoztatáshoz, valamint a táplálékfelvételben szerepet játszó szaglászáshoz és orális viselkedéshez. Így az állatok nagyobb valószínűséggel találkoznak táplálékkal, és nagyobb valószínűséggel fedezik fel és fogyasztják el azt. Harmadszor, vannak hipotalamikus leszálló kimenetek az érzékelő rendszerek felé, amelyek érzékenyíthetik azokat (pl. ha éhesek, az étel íze jobb) vagy deszenzibilizálhatják őket (pl. ha veszélyben vannak, a fájdalmat nem érzékelik olyan könnyen). Végül a vegetatív válaszok hipotalamikus kontrollja olyan jeleket okozhat (gyomorkorgás éhség esetén; szájszárazság szomjúság esetén), amelyek a magasabb kognitív rendszerekben egy viselkedés (ebben az esetben evés vagy ivás) iránti igényként jutnak el a tudatos értékeléshez. Hasonlóképpen az endokrin rendszerek hipotalamikus szabályozása is visszahat az agyra. Például az agy számos neuronja rendelkezik receptorokkal a szaporodásban, a stresszválaszokban vagy a sóhiányban szerepet játszó szteroid hormonok számára, és e hormonok változásai megváltoztathatják az említett neuronális rendszerek által szabályozott különböző komplex viselkedések valószínűségét.

A folyadék- és elektrolitegyensúly hipotalamikus szabályozása

A megfelelő szöveti perfúzió fenntartása érdekében a hipotalamusznak szabályoznia kell a folyadékszerzést ivással, és szabályoznia kell a vér ozmolalitását és elektrolittartalmát, valamint a teljes vérmennyiséget. Túlzott folyadékmennyiség esetén szabályoznia kell a vese által végzett diurézist. Ezeket a feladatokat a preoptikus terület szabályozza, különösen a median preoptikus mag és a lamina terminalis organum vasculosum, a harmadik kamra elülső fala mentén. Az ivási viselkedés szorosan kapcsolódik a táplálkozáshoz és a hőszabályozáshoz (mivel az agy által alkalmazott számos hűtési stratégia a vízpárolgás útján történő hőveszteséggel jár).

A táplálkozás és az energia-anyagcsere hipotalamikus szabályozása

A legtöbb állat halálának leggyakoribb oka az éhezés. A megfelelő energiaraktárak biztosítása érdekében a hipotalamusznak kell irányítania a táplálkozási viselkedést, és szabályoznia kell az anyagcserét. Az üzemanyag cukrokból zsírrá történő átalakítása bőség idején, illetve a fehérjék üzemanyaggá történő átalakítása szűkös időkben a hipotalamusz autonóm és endokrin szabályozásának irányítása alatt áll. A táplálkozás és az energia-anyagcsere szabályozását főként az arcuatus nucleus végzi, együttműködve a ventromedialis és dorsomedialis magokkal, a paraventricularis maggal és a laterális hipotalamussal. Az energiaanyagcsere szabályozása kölcsönhatásban van a szaporodással (mivel az állatok csak akkor engedhetik meg maguknak a szaporodást, ha elegendő táplálék áll rendelkezésre az utódok túlélésének biztosításához), a hőszabályozással (éhezés idején az anyagcsere csökken, és a testhőmérséklet alacsonyabb), valamint az ébrenlét-alvás állapotokkal (az állatoknak ébernek és ébernek kell lenniük a táplálékszerzéshez, és teljesen megfordul az ébrenlét-alvás ciklusuk, ha a táplálék csak a normál alvási ciklusuk alatt áll rendelkezésre).

A hőszabályozás hipotalamikus kontrollja

A sejtek biokémiai reakciói megkövetelik a testhőmérséklet szoros szabályozását. Például egy fertőzés során a testhőmérséklet 2 C fokkal történő emelésével a fehérvérsejtek aktivitása fokozódik, miközben a legtöbb baktérium kevésbé képes szaporodni. Ez a kis előny a gazdaszervezet számára a túlélés és a halál közötti különbséget jelentheti. A hőszabályozást főként a medián és mediális preoptikus magokban, valamint a laterális preoptikus területen található neuronok irányítják. Általában ezek a neuronok hajlamosak gátolni a dorsomedialis magban és a paraventricularis magban lévő termogenikus régiót. Ez utóbbiak gerjesztő bemeneteket küldenek a testhőmérsékletet növelő agytörzsi sejtcsoportokhoz. Tehát, amikor a hipotalamusz felmelegszik, a gátló neuronok kikapcsolják ezt a termogén rendszert, és a testhőmérséklet csökken. A hőszabályozás kölcsönhatásban van a táplálkozással (mivel a hőtermeléshez és az anyagcsereráta növeléséhez energiára van szükség), a szaporodással (mivel a testhőmérsékletet a menstruációs ciklusok befolyásolják) és az ébrenléti-alvási ciklusokkal (mivel alvás közben a testhőmérséklet csökken). Ha a táplálékraktárak alacsonyak, az állatok a torpor vagy hibernáció állapotába kerülhetnek, amikor a testhőmérsékletük körülbelül 30 °C-ra csökken, és az agy alváshoz hasonló állapotba kerül. Másrészt a testhőmérséklet stressz esetén megemelkedik.

A szaporodás hipotalamikus kontrollja

Az emlős nőstényeknél a hipotalamusz tartja fenn a szaporodási készenlét ciklusait. Az állatok addig nem lépnek be ebbe az állapotba (azaz nem mennek át a pubertáson), amíg nem érik el a szaporodáshoz elegendő testük energiaraktárait, és sok fajnál a megfelelő évszakot. A hypothalamus neuronjai a periventricularis régióban és a nucleus arcuatusban szaporodási hormonokat termelnek, a szexuális viselkedést pedig a medialis preopticus, a ventromedialis és a ventralis premammillaris magok befolyásolják. Úgy tűnik, hogy a preoptikus terület szabályozza a nemi szervek autonóm szabályozását is (pénisz erekció, síkosító szekréció). A szaporodás így kölcsönhatásba lép a megfelelő energiaraktárakat, a fejlődő magzat vérellátását biztosító folyadékegyensúlyt és a hőszabályozást szabályozó rendszerekkel. Emellett erősen izgató hatású.

Az alvás és az ébrenlét hipotalamikus kontrollja

A laterális hipotalamusz hátsó felében, valamint a tuberomammilláris magban található neuronok fontos bemeneteket biztosítanak az agykéreg és a bazális előagy számára, amelyek az ébresztő és az arousal válaszokkal foglalkoznak, és kritikusak a teljesen éber állapot létrehozásában. Ezek a neuronok, valamint az agytörzsben található, az ébrenlétet elősegítő többi neuron viszont egy főkapcsoló, a ventrolaterális preoptikus mag hatása alatt állnak, amely alvás közben gátolja az ébresztési rendszer összetevőit, és szükséges a normális alvási állapotok kialakulásához. Az ébrenléti alvási rendszer, beleértve a laterális hipotalamusz orexin peptidet tartalmazó neuronjait, viszont a cirkadián rendszer irányítása alatt áll. Úgy tűnik, hogy a dorsomedialis mag, amely cirkadián időzítési jeleket kap a suprachiasmatikus magból, kritikus szerepet játszik a kettő összehangolásában. Az alvás-ébrenlét szabályozás kölcsönhatásban van a táplálkozással, ivással, szexuális és védekező viselkedéssel, amelyek mindegyike természetesen éber állapotot igényel. Az alvás és a hőszabályozás között is erős kölcsönhatás van.

A stresszválaszok hipotalamikus szabályozása

Amikor egy állatot támadás ér, el kell érnie a teljes ébredést, mozgósítania kell az energiaraktárait, és készen kell állnia vagy a harcra, vagy a menekülésre. A szaporodási viselkedést, a táplálékkeresést és más, nem létfontosságú feladatokat gátolni kell. Az ezt a választ szabályozó jeleknek olyan kognitív és limbikus rendszerekből kell származniuk, amelyek képesek felmérni a fenyegetéseket. A paraventricularis mag kulcsszerepet játszik a stresszválaszokban, mivel ez tartalmazza a legtöbb olyan neuront, amely kortikotropin felszabadító hormont termel, ami az ACTH, majd a mellékvese-szteroidok felszabadulását okozza. A paraventrikuláris mag számos autonóm szabályozó neuront is tartalmaz, amelyek az adrenalin felszabadulásához szükségesek. A laterális hipotalamusz neuronokat azonban be kell kapcsolni ahhoz, hogy a kéreg teljes éber éberségi állapotba kerüljön, akárcsak a mediális hipotalamusz neuronokat az energiaraktárak mobilizálásához. A stressz gátolja a szexuális viselkedést, és egyes esetekben akár a terhesség megszakadásához is vezethet. Mivel a stressz természeténél fogva nem specifikus, azaz bármilyen, a túlélést veszélyeztető ingert magában foglalhat, természeténél fogva kölcsönhatásba léphet bármely más hipotalamikus szabályozó rendszerrel.

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. és 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: Tudatos zsigeri érzékelés és autonóm minta generálása. Ann Rev. Neurosci. 25:433-469.

Saper, C.B., Chou, T.C., Elmquist, J.K. (2002) A táplálkozás szükséglete: az evés homeosztatikus és hedonikus kontrollja. Neuron 36:199-211.

Saper, C.B. (2003) The hypothalamus. In: The Human Nervous System, G. Paxinos, szerk. Academic Press, San Diego, pp. 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: organisation and development of sexually dimorphic circuits in the mammalian forebrain. Annu Rev Neurosci. 2002;25:507-36.

Belső hivatkozások

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

• Bill Blessing és Ian Gibbins (2008) Autonóm idegrendszer. Scholarpedia, 3(7):2787.

• Valentino Braitenberg (2007) Agy. 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.

Lásd még

Amygdala, Circadián ritmus, Limbikus rendszer, A hipotalamusz modelljei