L’ipotalamo è una piccola area alla base del cervello, che pesa circa 4 gm sui 1400 gm di peso del cervello di un uomo adulto, ma svolge una vasta gamma di funzioni che sono vitali per la sopravvivenza dell’individuo. In generale, l’ipotalamo agisce come un integratore per regolare e coordinare le funzioni di base necessarie per la vita, come l’equilibrio di fluidi ed elettroliti; alimentazione e metabolismo energetico; cicli di veglia-sonno; termoregolazione; risposte allo stress; e comportamento sessuale e riproduzione.

• 1 Architettura dell’ipotalamo
  • 1.1 Approvvigionamento sanguigno dell’ipotalamo
• 2 Ingressi all’ipotalamo
• 3 Sistemi di controllo omeostatico, allostatico e circadiano
• 4 Regolazione ipotalamica delle funzioni endocrine, autonome, e del comportamento
• 5 Controllo ipotalamico dell’equilibrio di fluidi ed elettroliti
• 6 Controllo ipotalamico dell’alimentazione e del metabolismo energetico
• 7 Controllo ipotalamico della termoregolazione
• 8 Controllo ipotalamico della riproduzione
• 9 Controllo ipotalamico del sonno e della veglia
• 10 Controllo ipotalamico delle risposte allo stress
• 11 Riferimenti
• 12 Vedi anche

Architettura dell’ipotalamo

Situato appena dietro e tra gli occhi, il confine anteriore dell’ipotalamo è formato dal chiasma ottico. È delimitato lateralmente dai tratti ottici e dai lobi temporali, e il limite posteriore dell’ipotalamo, occupato dai corpi mammillari, è delimitato dai peduncoli cerebrali. L’ipotalamo, letteralmente situato sotto il talamo, è diviso nella linea mediana dal terzo ventricolo. Contiene una serie di gruppi cellulari o nuclei ragionevolmente ben differenziati, incastrati tra le principali vie assonali che lo collegano con il resto del cervello e con il sistema endocrino.

Il sistema assonale periventricolare occupa la parete mediale dell’ipotalamo lungo il terzo ventricolo, medialmente alla maggior parte dei nuclei ipotalamici. Contiene assoni che collegano l’ipotalamo con il tronco encefalico e il talamo. Alcuni assoni periventricolari, dai neuroni che producono gli ormoni di rilascio dell’ipofisi, viaggiano verso l’eminenza mediana, che è un’area vascolare nel pavimento del terzo ventricolo. Qui secernono gli ormoni rilascianti nei capillari portali, che li portano all’ipofisi anteriore dove controllano la secrezione di prolattina, tireotropina, corticotropina, ormone della crescita, ormoni gonadotropi e prolattina. Altri assoni periventricolari, dalle cellule dei nuclei sopraottico e paraventricolare che producono ossitocina o vasopressina, passano direttamente attraverso il peduncolo pituitario all’ipofisi posteriore, dove i loro terminali secernono questi ormoni nella circolazione generale. Molti dei neuroni che producono ormoni rilascianti sono sparsi lungo la parete del terzo ventricolo, mescolati al sistema periventricolare. Tuttavia, alla base del terzo ventricolo c’è una collezione particolarmente grande di tali neuroni, chiamata nucleo arcuato, e lungo il terzo ventricolo dorsale c’è un altro gruppo di questo tipo nel nucleo paraventricolare.

Il sistema di assoni ipotalamici laterali, talvolta chiamato fascio mediale del proencefalo, corre da rostrale a caudale attraverso l’area ipotalamica laterale, servendo a collegare i nuclei più mediali con il proencefalo sopra, e con il tronco encefalico sotto. Mescolati con il fascio mediale del proencefalo ci sono molti neuroni relativamente grandi, i cui assoni spesso si uniscono al fascio, raggiungendo rostralmente la corteccia cerebrale e caudalmente il midollo spinale.

I nuclei integrativi mediali dell’ipotalamo possono essere approssimativamente divisi in tre gruppi da rostrale a caudale. I nuclei più rostrali, corrispondenti all’area preottica, regolano l’equilibrio dei fluidi e degli elettroliti, la temperatura corporea e gli ormoni sessuali. L’orologio biologico del cervello, il nucleo soprachiasmatico, è anche a questo livello, che si trova appena sopra il chiasmo ottico, così come i neuroni che sono fondamentali per causare il sonno. Il terzo medio dell’ipotalamo contiene i nuclei che regolano l’alimentazione, il metabolismo energetico, le risposte allo stress, e coordinano tutto questo con i cicli veglia-sonno. Il terzo caudale dell’ipotalamo contiene neuroni che sono critici per mantenere la veglia e rispondere alle emergenze.

Apporto di sangue dell’ipotalamo

I colpi all’ipotalamo sono molto rari, perché l’ipotalamo ha l’apporto di sangue più rigoglioso del cervello, come si addice a un sito che è assolutamente critico per mantenere la vita. L’ipotalamo è ciò che il cerchio di Willis circonda. È letteralmente circondato dalle arterie carotidi interne e basilari e dai vasi sanguigni che le collegano.

Input all’ipotalamo

L’ipotalamo si trova ad un crocevia nel cervello, ricevendo input sensoriali diretti dai sistemi olfattivo, gustativo, visivo e somatosensoriale. Contiene anche sensori per cose come la temperatura del sangue, i livelli di zucchero e minerali nel sangue, e una varietà di ormoni. Così l’ipotalamo riceve gli input sensoriali necessari per rilevare le sfide nell’ambiente interno ed esterno.

Inoltre, l’ipotalamo riceve input da aree del proencefalo tra cui l’ippocampo, l’amigdala e la corteccia cingolata. Queste strutture formano il lobo limbico del cervello, che riceve informazioni sensoriali altamente elaborate da tutta la corteccia cerebrale, e ne determina l’importanza personale per l’individuo. Questi input guidano una vasta gamma di risposte emotive, e molti dei fenomeni che associamo all’espressione emotiva (cambiamenti nella frequenza cardiaca, arrossire, capelli in piedi, ecc.) sono mediati dall’ipotalamo.

Sistemi di controllo omeostatico, allostatico e circadiano

L’ipotalamo protegge la capacità vitale dell’organismo in tre modi critici. In primo luogo, deve mantenere un milieu interno ben regolato di concentrazioni di elettroliti e osmolalità, glucosio e altri combustibili, e la temperatura corporea. Il macchinario biochimico intracellulare del corpo dei mammiferi è squisitamente adattato a questo ambiente e non può tollerare nemmeno piccole alterazioni. Quando esposto a livelli di sodio, per esempio, che sono 10-15% troppo alto o troppo basso; a livelli di glucosio meno del 50% del ottimale; o temperature corporee 4-5 gradi C sopra o sotto il normale, c’è una sostanziale degradazione della funzione del cervello. Alterazioni simili si verificano in altri tessuti, anche se forse con margini non così stretti come per il cervello. L’ipotalamo quindi mantiene normalmente un’omeostasi (in greco significa “rimanere lo stesso”) con elettroliti come il sodio generalmente tenuti entro il 5% dell’optimum; il glucosio sopra i livelli che possono causare danni; e la temperatura corporea entro pochi decimi di grado dell’optimum. L’ipotalamo realizza questo avendo neuroni che ricevono input da sistemi sensoriali che controllano queste variabili, o sono essi stessi sensibili a loro. Questi neuroni tentano di regolare questi parametri rispetto a ciò che equivale a un setpoint, proprio come il termostato in una casa è regolato su un setpoint.

In contrasto con i sistemi omeostatici dell’ipotalamo, altri sistemi affrontano grandi e imprevedibili perturbazioni dell’ambiente che richiedono un cambiamento nel comportamento e nella fisiologia. Queste risposte allostatiche vanno dal riconoscimento e dagli adattamenti appropriati alla presenza, da un lato, di un compagno e, dall’altro, di un attacco che minaccia la vita. Le risposte possono includere il ripristino di vari setpoint (ad esempio, l’aumento della temperatura corporea e della pressione sanguigna), così come le regolazioni endocrine (come il cortisolo e il rilascio di adrenalina quando sono sotto minaccia), e naturalmente includono brusche e drammatiche alterazioni del comportamento (dall’accoppiamento alla lotta o alla fuga).

Oltre a fare aggiustamenti del milieu interno che supportano l’omeostasi, e a rispondere ad eventi esterni urgenti, l’ipotalamo aiuta anche ad anticipare gli eventi quotidiani che sono innescati dal ciclo giorno-notte esterno. Che gli animali siano diurni (svegli di giorno) o notturni (svegli di notte), hanno orari prevedibili per nutrirsi, bere, dormire e per il comportamento sessuale. Tutti questi sono regolati dal sistema di temporizzazione circadiano nel cervello, in modo che il corpo anticipi le varie richieste e opportunità. Per esempio, la veglia e i livelli di cortisolo raggiungono i picchi all’ora del giorno necessaria per un animale per procurarsi il cibo, mentre il setpoint della temperatura corporea scende di un grado durante l’ora del giorno in cui un animale dorme.

Regolazione ipotalamica delle funzioni endocrine, autonome e comportamentali

Per esercitare il suo controllo su così tante funzioni corporee, l’ipotalamo usa tre uscite principali: sistemi autonomi, endocrini e comportamentali. Nel controllo autonomo, l’ipotalamo contiene neuroni che inviano assoni direttamente ai neuroni pregangliari del sistema nervoso simpatico e parasimpatico. Questi neuroni di controllo autonomo si trovano nei nuclei paraventricolare e arcuato e nell’area ipotalamica laterale. Inoltre l’ipotalamo ha ampie uscite per regolare i circuiti del tronco encefalico che regolano i riflessi autonomi.

L’ipotalamo controlla il sistema endocrino in tre modi. In primo luogo, come descritto sopra, i neuroni dei nuclei paraventricolare e sopraottico inviano i loro assoni a formare l’ipofisi posteriore, dove secernono ossitocina e vasopressina. In secondo luogo, i neuroni dei nuclei periventricolare, paraventricolare e arcuato inviano gli assoni all’eminenza mediana, per secernere gli ormoni pituitari di rilascio, che regolano l’ipofisi anteriore. Infine, l’ipotalamo controlla le uscite autonomiche a molti tessuti endocrini periferici, che regolano ulteriormente la loro secrezione.

Il controllo ipotalamico del comportamento è mediato in diversi modi. In primo luogo, l’area ipotalamica laterale e il nucleo tuberomammillare istaminergico svolgono un ruolo importante nel determinare il livello generale di veglia o di eccitazione. In secondo luogo, gli input ipotalamici ai vari generatori di schemi motori possono aumentare la probabilità di comportamenti specifici. Per esempio, quando hanno fame, la maggior parte degli animali ha bisogno di cercare il cibo, poi di esplorarlo leccandolo e annusandolo, e infine di consumarlo. L’ipotalamo può ridurre la soglia per l’attivazione dei generatori di schemi motori per la locomozione, e per i comportamenti di annusamento e orali che sono coinvolti nell’ingestione di cibo. Così gli animali hanno più probabilità di incontrare il cibo e più probabilità di esplorarlo e consumarlo. In terzo luogo, ci sono uscite ipotalamiche discendenti ai sistemi sensoriali che possono sensibilizzarli (ad esempio, quando si ha fame, il cibo ha un sapore migliore) o desensibilizzarli (ad esempio, quando si è sotto minaccia, il dolore non viene percepito così facilmente). Infine, il controllo ipotalamico delle risposte autonomiche può causare segnali (brontolio dello stomaco quando si ha fame; bocca secca quando si ha sete) che raggiungono l’apprezzamento cosciente nei sistemi cognitivi superiori come un bisogno di impegnarsi in un comportamento (in questo caso, mangiare o bere). Allo stesso modo, la regolazione ipotalamica dei sistemi endocrini può alimentare il cervello. Per esempio, molti neuroni nel cervello hanno recettori per gli ormoni steroidei coinvolti nella riproduzione, nelle risposte allo stress o nell’esaurimento del sale, e i cambiamenti in questi ormoni possono alterare la probabilità di vari comportamenti complessi regolati da quei sistemi neuronali.

Controllo ipotalamico dell’equilibrio dei fluidi e degli elettroliti

Per mantenere un’adeguata perfusione dei tessuti, l’ipotalamo deve regolare l’acquisizione dei fluidi attraverso il bere, e controllare l’osmolalità e il contenuto elettrolitico del sangue, così come il volume complessivo del sangue. Quando c’è un eccesso di volume di fluido, deve regolare la diuresi da parte del rene. Questi compiti sono sotto la regolazione dell’area preottica, in particolare il nucleo preottico mediano e l’organum vasculosum della lamina terminalis, lungo la parete anteriore del terzo ventricolo. Il comportamento di bere è strettamente legato all’alimentazione e alla termoregolazione (poiché molte delle strategie di raffreddamento utilizzate dal cervello comportano la perdita di calore attraverso l’evaporazione dell’acqua).

Controllo ipotalamico dell’alimentazione e del metabolismo energetico

La causa più comune di morte per la maggior parte degli animali è la fame. Per assicurare adeguate riserve di energia, l’ipotalamo deve guidare il comportamento alimentare e regolare il tasso metabolico. La conversione del carburante da zuccheri a grassi in tempi di abbondanza, o delle proteine a carburante in tempi di magra, sono sotto il controllo della regolazione autonoma ed endocrina ipotalamica. Il controllo dell’alimentazione e del metabolismo energetico è realizzato principalmente dal nucleo arcuato, che lavora con i nuclei ventromediale e dorsomediale, il nucleo paraventricolare e l’ipotalamo laterale. La regolazione del metabolismo energetico interagisce con la riproduzione (perché gli animali possono permettersi di riprodursi solo quando c’è cibo sufficiente ad assicurare la sopravvivenza della prole), la termoregolazione (in tempi di fame il tasso metabolico scende e la temperatura corporea è più bassa), e gli stati di veglia-sonno (gli animali devono essere svegli e attenti per cercare cibo e invertiranno completamente i loro cicli di veglia-sonno se il cibo è disponibile solo durante il loro normale ciclo di sonno).

Controllo ipotalamico della termoregolazione

Le reazioni biochimiche cellulari richiedono che la temperatura corporea sia strettamente controllata. Per esempio, aumentando la temperatura corporea di 2 gradi C durante un’infezione, l’attività dei globuli bianchi è aumentata, mentre la maggior parte dei batteri sono meno capaci di riprodursi. Questo piccolo vantaggio per l’ospite può fare la differenza tra la sopravvivenza e la morte. La termoregolazione è controllata principalmente dai neuroni dei nuclei preottico mediano e mediale, nonché dell’area preottica laterale. In generale, questi neuroni tendono a inibire una regione termogenica nel nucleo dorsomediale e nel nucleo paraventricolare. Questi ultimi inviano input eccitatori a gruppi di cellule del tronco encefalico che aumentano la temperatura corporea. Così, quando l’ipotalamo è riscaldato, i neuroni inibitori spengono questo sistema termogenico e la temperatura corporea scende. La termoregolazione interagisce con l’alimentazione (poiché l’energia è necessaria per produrre calore e aumentare il tasso metabolico), la riproduzione (poiché la temperatura corporea è influenzata dai cicli mestruali) e i cicli veglia-sonno (poiché la temperatura corporea scende durante il sonno). Quando le riserve di cibo sono basse, gli animali possono entrare in uno stato di torpore, o ibernazione, dove la loro temperatura corporea scende a circa 30 gradi C, e il cervello entra in uno stato simile al sonno. D’altra parte, la temperatura corporea aumenta durante lo stress.

Controllo ipotalamico della riproduzione

Nelle femmine dei mammiferi, l’ipotalamo mantiene cicli di prontezza riproduttiva. Gli animali non entrano in questo stato (cioè, passano attraverso la pubertà) fino a quando non hanno raggiunto sufficienti riserve di energia corporea, e in molte specie il periodo corretto dell’anno, per la riproduzione. I neuroni ipotalamici della regione periventricolare e del nucleo arcuato producono ormoni riproduttivi, e il comportamento sessuale è influenzato dai nuclei preottico mediale, ventromediale e premammillare ventrale. L’area preottica sembra anche regolare il controllo autonomo sui genitali (erezione del pene, secrezione di lubrificazione). La riproduzione interagisce quindi con i sistemi che controllano le riserve di energia adeguata, l’equilibrio dei fluidi per assicurare l’apporto di sangue al feto in via di sviluppo, e la termoregolazione. È anche altamente eccitante.

Controllo ipotalamico del sonno e della veglia

Neuroni nella metà posteriore dell’ipotalamo laterale così come nel nucleo tuberomammillare, forniscono importanti input alla corteccia cerebrale e al prosencefalo basale che sono interessati alle risposte di allerta e di eccitazione, e sono critici per produrre uno stato completamente sveglio. Questi neuroni, e altri nel tronco encefalico che promuovono la veglia, sono a loro volta sotto l’influenza di un interruttore principale, il nucleo preottico ventrolaterale, che inibisce i componenti del sistema di risveglio durante il sonno, ed è necessario per il verificarsi di normali stati di sonno. Il sistema sonno veglia, compresi i neuroni dell’ipotalamo laterale che contengono il peptide orexina, è a sua volta sotto il controllo del sistema circadiano. Il nucleo dorsomediale, che riceve segnali circadiani dal nucleo soprachiasmatico, sembra avere un ruolo critico nel coordinare i due. La regolazione sonno-veglia interagisce con l’alimentazione, il bere e il comportamento sessuale e difensivo, che ovviamente richiedono uno stato di veglia. C’è anche una forte interazione tra il sonno e la termoregolazione.

Controllo ipotalamico delle risposte allo stress

Quando un animale è sotto attacco, deve raggiungere il pieno risveglio, mobilitare le sue riserve di energia ed essere pronto a combattere o fuggire. Il comportamento riproduttivo, la ricerca di cibo e altri compiti non essenziali devono essere inibiti. I segnali che regolano questa risposta devono provenire dai sistemi cognitivi e limbici che sono in grado di valutare le minacce. Il nucleo paraventricolare gioca un ruolo chiave nelle risposte allo stress, in quanto contiene la maggior parte dei neuroni che producono l’ormone di rilascio della corticotropina, che provoca il rilascio di ACTH e poi di steroidi surrenali. Il nucleo paraventricolare contiene anche molti dei neuroni di controllo autonomo, necessari per causare il rilascio di adrenalina. Tuttavia, i neuroni ipotalamici laterali devono essere impegnati per portare la corteccia in un pieno stato di veglia vigile, così come i neuroni ipotalamici mediali per mobilitare le riserve di energia. Lo stress inibisce il comportamento sessuale, e in alcuni casi può anche portare all’interruzione della gravidanza. Poiché lo stress è intrinsecamente non specifico, cioè può includere qualsiasi stimolo che minaccia la sopravvivenza, può intrinsecamente interagire con uno qualsiasi degli altri sistemi di regolazione ipotalamici.

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Vedi anche

Amigdala, Ritmo circadiano, Sistema limbico, Modelli di ipotalamo