De hypothalamus is een klein gebied aan de basis van de hersenen, met een gewicht van ongeveer 4 gram op de 1400 gram hersengewicht van een volwassen mens, maar het vervult een breed scala aan functies die van vitaal belang zijn voor de overleving van het individu. In het algemeen werkt de hypothalamus als een integrator voor het reguleren en coördineren van basisfuncties die noodzakelijk zijn voor het leven, zoals vocht- en elektrolytenbalans; voeding en energiemetabolisme; waak-slaapcycli; thermoregulatie; stressreacties; en seksueel gedrag en voortplanting.

• 1 Architectuur van de hypothalamus
  • 1.1 Bloedvoorziening van de hypothalamus
• 2 Inputs naar de hypothalamus
• 3 Homeostatische, allostatische, en circadiane regelsystemen
• 4 Hypothalamische regulatie van endocriene, autonome, en gedragsfuncties
• 5 Hypothalamische controle van vocht- en elektrolytenbalans
• 6 Hypothalamische controle van voeding en energiemetabolisme
• 7 Hypothalamische controle van thermoregulatie
• 8 Hypothalamische controle van voortplanting
• 9 Hypothalamische controle van slaap en waakzaamheid
• 10 Hypothalamische controle van stressreacties
• 11 Referenties
• 12 Zie ook

Architectuur van de hypothalamus

Gelegen vlak achter en tussen de ogen, wordt de voorste grens van de hypothalamus gevormd door het optische chiasme. Zij wordt zijdelings begrensd door de optische tractus en de temporale kwabben, en de achterste grens van de hypothalamus, die door de mammillaire lichaampjes wordt ingenomen, wordt begrensd door de cerebrale peduncles. De hypothalamus, die letterlijk onder de thalamus ligt, wordt in de middellijn gescheiden door de derde ventrikel. Hij bevat een reeks redelijk goed gedifferentieerde celgroepen of kernen, ingeklemd tussen de grote axonale banen die hem verbinden met de rest van de hersenen en met het endocriene systeem.

Het periventriculaire axonstelsel beslaat de mediale wand van de hypothalamus langs de derde ventrikel, mediaal van de meeste hypothalamische kernen. Het bevat axonen die de hypothalamus verbinden met de hersenstam en de thalamus. Sommige periventriculaire axonen, afkomstig van neuronen die hypofyse-afgevende hormonen produceren, gaan naar de mediane eminentie, een vasculair gebied in de vloer van de derde ventrikel. Hier scheiden zij de hormonen af in de portale haarvaten, die ze naar de voorste hypofyse brengen, waar zij de afscheiding van prolactine, thyrotropine, corticotropine, groeihormoon, gonadotrope hormonen en prolactine regelen. Andere periventriculaire axonen, afkomstig van cellen in de supraoptische en paraventriculaire kernen die oxytocine of vasopressine produceren, gaan rechtstreeks door de hypofysesteel naar de achterste hypofyse, waar hun terminals deze hormonen in de algemene circulatie uitscheiden. Veel van de neuronen die vrijmakende hormonen produceren liggen verspreid langs de wand van de derde ventrikel, vermengd met het periventriculaire systeem. Aan de basis van de derde ventrikel bevindt zich echter een bijzonder grote verzameling van dergelijke neuronen, de arcuate kern genoemd, en langs de dorsale derde ventrikel bevindt zich een andere dergelijke cluster in de paraventriculaire kern.

Het laterale hypothalamische axonensysteem, soms de mediale voorhersenenbundel genoemd, loopt van rostraal naar caudaal door het laterale hypothalamische gebied, en dient om de meer mediale kernen te verbinden met de voorhersenen erboven, en met de hersenstam eronder. Gemengd met de mediale voorhersenenbundel zijn vele relatief grote neuronen, waarvan de axonen zich vaak bij de bundel aansluiten en zo ver rostraal tot de hersenschors en zo ver caudaal tot het ruggenmerg reiken.

De mediale integratieve kernen van de hypothalamus kunnen ruwweg worden verdeeld in drie groepen van rostraal naar caudaal. De meest rostrale kernen, die overeenkomen met de preoptische zone, regelen de vocht- en elektrolytenbalans, de lichaamstemperatuur, en de sexuele hormonen. De biologische klok van de hersenen, de suprachiasmatische kern, bevindt zich ook op dit niveau, net boven het optische chiasme, evenals neuronen die van cruciaal belang zijn voor het veroorzaken van slaap. Het middelste derde deel van de hypothalamus bevat de kernen die de voeding, het energiemetabolisme en de stressreacties regelen, en die al deze zaken coördineren met de waak-slaapcycli. Het caudale derde deel van de hypothalamus bevat neuronen die van cruciaal belang zijn om wakker te blijven en te reageren op noodsituaties.

Bloedvoorziening van de hypothalamus

Aantastingen van de hypothalamus zijn uiterst zeldzaam, omdat de hypothalamus de meest weelderige bloedvoorziening in de hersenen heeft, zoals het een plaats betaamt die absoluut cruciaal is om het leven in stand te houden. De hypothalamus is wat de cirkel van Willis omcirkelt. Hij is letterlijk omgeven door de interne halsslagaders en de basilar slagaders, en de bloedvaten die hen verbinden.

Inputs naar de hypothalamus

De hypothalamus zit op een kruispunt in de hersenen, en ontvangt directe zintuiglijke inputs van de reuk-, smaak-, visuele-, en somatosensorische systemen. Het bevat ook sensoren voor zaken als bloedtemperatuur, bloedsuiker- en mineraalgehaltes, en een verscheidenheid van hormonen. De hypothalamus ontvangt dus zintuiglijke inputs die nodig zijn om uitdagingen in zowel de interne als de externe omgeving te detecteren.

Daarnaast ontvangt de hypothalamus inputs van gebieden in de voorhersenen, waaronder de hippocampus, de amygdala en de cingulate cortex. Deze structuren vormen de limbische kwab van de hersenen, die sterk verwerkte zintuiglijke informatie ontvangt vanuit de gehele hersenschors, en het persoonlijk belang voor het individu bepaalt. Deze inputs sturen een breed scala van emotionele reacties aan, en veel van de verschijnselen die we associëren met emotionele expressie (veranderingen in hartslag, blozen, haren die overeind gaan staan, enz.) worden bemiddeld door de hypothalamus.

Homeostatische, allostatische en circadiane regelsystemen

De hypothalamus beschermt de vitale capaciteit van het organisme op drie kritieke manieren. Ten eerste moet het een goed gereguleerd intern milieu van elektrolytenconcentraties en osmolaliteit, glucose en andere brandstoffen, en lichaamstemperatuur in stand houden. De intracellulaire biochemische machinerie van het zoogdierenlichaam is uiterst aangepast aan dit milieu en kan zelfs kleine veranderingen daarin niet verdragen. Wanneer het lichaam bijvoorbeeld wordt blootgesteld aan natriumgehaltes die 10-15% te hoog of te laag zijn, aan glucosegehaltes die minder dan 50% van het optimum bedragen of aan lichaamstemperaturen die 4-5 graden C boven of onder het normale liggen, gaat de hersenfunctie aanzienlijk achteruit. Soortgelijke veranderingen komen ook in andere weefsels voor, zij het misschien met marges die misschien niet zo nauw zijn als voor de hersenen. De hypothalamus handhaaft daarom normaal een homeostase (Grieks voor “gelijk blijven”) waarbij elektrolyten zoals natrium over het algemeen binnen 5% van het optimum worden gehouden; glucose boven niveaus die schade kunnen veroorzaken; en de lichaamstemperatuur binnen een paar tienden van graden van het optimum. De hypothalamus bereikt dit door neuronen te hebben die ofwel inputs ontvangen van zintuiglijke systemen die deze variabelen controleren, ofwel er zelf gevoelig voor zijn. Deze neuronen proberen deze parameters te reguleren tegen wat neerkomt op een setpoint, net zoals de thermostaat in een huis wordt afgesteld op een setpoint.

In tegenstelling tot de homeostatische systemen van de hypothalamus, hebben andere systemen te maken met grote en onvoorspelbare verstoringen van de omgeving die een verandering in gedrag en fysiologie vereisen. Deze allostatische reacties variëren van herkenning van en passende aanpassingen aan de aanwezigheid van enerzijds een partner, en anderzijds een levensbedreigende aanval. De reacties kunnen het resetten van verschillende setpoints omvatten (bijv. verhoging van lichaamstemperatuur en bloeddruk), evenals endocriene aanpassingen (zoals het vrijkomen van cortisol en adrenaline bij bedreiging), en natuurlijk ook abrupte en dramatische gedragsveranderingen (van paren naar vechten of vluchten).

Naast het maken van aanpassingen van het interne milieu die de homeostase ondersteunen, en het reageren op urgente externe gebeurtenissen, helpt de hypothalamus ook te anticiperen op dagelijkse gebeurtenissen die worden uitgelokt door de externe dag-nacht cyclus. Of dieren nu dagactief (overdag wakker) of nachtactief (’s nachts wakker) zijn, zij hebben voorspelbare tijden voor eten, drinken, slapen en seksueel gedrag. Al deze activiteiten worden geregeld door het circadiane timingsysteem in de hersenen, zodat het lichaam anticipeert op de verschillende behoeften en mogelijkheden. Bijvoorbeeld, waakzaamheid en cortisol niveaus pieken op het tijdstip dat een dier nodig heeft om voedsel te zoeken, terwijl het setpoint voor lichaamstemperatuur een volle graad daalt gedurende het tijdstip dat een dier slaapt.

Hypothalamus regulatie van endocriene, autonome, en gedragsfuncties

Om zijn controle uit te oefenen over zovele lichaamsfuncties, gebruikt de hypothalamus drie belangrijke uitgangen: autonome, endocriene, en gedragsmatige systemen. Voor de autonome controle bevat de hypothalamus neuronen die axonen rechtstreeks naar de preganglionaire neuronen voor zowel het sympathische als het parasympathische zenuwstelsel zenden. Deze autonome controle-neuronen bevinden zich in de paraventriculaire en arcuate kernen, en in de laterale hypothalamische zone. Bovendien heeft de hypothalamus uitgebreide uitgangen om hersenstamcircuits aan te passen die autonome reflexen regelen.

De hypothalamus controleert het endocriene systeem op drie manieren. Ten eerste, zoals hierboven beschreven, zenden neuronen in de paraventriculaire en supraoptische kernen hun axonen naar de achterste hypofyse, waar ze oxytocine en vasopressine afscheiden. Ten tweede zenden neuronen in de periventriculaire, paraventriculaire en arcuate kernen axonen naar de mediane eminence, om hypofysehormonen af te scheiden, die de voorste hypofyse reguleren. Tenslotte controleert de hypothalamus de autonome uitgangen naar vele perifere endocriene weefsels, die hun secretie verder reguleren.

Hypothalamische controle van gedrag wordt op verschillende manieren bemiddeld. Ten eerste spelen de laterale hypothalamische zone en de histaminerge tuberomammillaire kern een belangrijke rol bij het bepalen van het algehele niveau van waakzaamheid of arousal. Ten tweede kunnen hypothalamische inputs naar verschillende motorische patroongeneratoren de waarschijnlijkheid van specifieke gedragingen verhogen. Bijvoorbeeld, wanneer dieren honger hebben, moeten zij voedsel zoeken, het vervolgens verkennen door likken en snuiven, en het tenslotte opeten. De hypothalamus kan de drempel verlagen voor het activeren van motorische patroongeneratoren voor voortbeweging, en voor snuffel- en mondgedrag dat betrokken is bij het opnemen van voedsel. Daardoor lopen dieren meer kans voedsel tegen te komen en het te verkennen en op te eten. Ten derde zijn er hypothalamus descenderende outputs naar zintuiglijke systemen die deze kunnen sensibiliseren (b.v. wanneer men honger heeft, smaakt voedsel beter) of desensibiliseren (b.v. wanneer men bedreigd wordt, wordt pijn niet zo snel waargenomen). Tenslotte kan hypothalamische controle van autonome responsen signalen veroorzaken (knorrende maag bij honger; droge mond bij dorst) die bewuste waardering bereiken in hogere cognitieve systemen als een noodzaak om een gedrag te gaan vertonen (in dit geval, eten of drinken). Evenzo kan de regulering van endocriene systemen door de hypothalamus terugkoppelen naar de hersenen. Bijvoorbeeld, veel neuronen in de hersenen hebben receptoren voor steroïde hormonen die betrokken zijn bij voortplanting, stress reacties, of zout uitputting, en veranderingen in deze hormonen kunnen de waarschijnlijkheid van verschillende complexe gedragingen, gereguleerd door deze neuronale systemen, veranderen.

Hypothalamische controle van vocht en elektrolyten balans

Om een adequate weefsel perfusie te handhaven, moet de hypothalamus het verkrijgen van vocht reguleren door te drinken, en de osmolaliteit en elektrolyten inhoud van het bloed, evenals het totale bloedvolume, controleren. Bij een teveel aan vocht moet de hypothalamus de diurese door de nieren regelen. Deze taken worden gereguleerd door het preoptische gebied, met name de mediane preoptische kern en het organum vasculosum van de lamina terminalis, langs de voorwand van de derde ventrikel. Drinkgedrag is nauw verbonden met voeding, en met thermoregulatie (aangezien veel van de door de hersenen gebruikte koelingsstrategieën warmteverlies via waterverdamping impliceren).

Hypothalamische controle van voeding en energiemetabolisme

De meest voorkomende doodsoorzaak bij de meeste dieren is verhongering. Om voldoende energievoorraad te verzekeren, moet de hypothalamus het voedingsgedrag sturen en de stofwisselingssnelheid regelen. De omzetting van brandstof van suikers naar vet in tijden van overvloed, of van proteïnen naar brandstof in magere tijden, staan onder controle van de autonome en endocriene regulatie van de hypothalamus. De regeling van de voeding en het energiemetabolisme geschiedt hoofdzakelijk door de arcuaatkern, in samenwerking met de ventromediale en dorsomediale kernen, de paraventriculaire kern, en de laterale hypothalamus. De regulatie van het energiemetabolisme werkt samen met de voortplanting (omdat dieren het zich alleen kunnen veroorloven zich voort te planten als er voldoende voedsel is om de overleving van de nakomelingen te verzekeren), de thermoregulatie (in tijden van verhongering daalt de stofwisselingssnelheid en is de lichaamstemperatuur lager), en de waak-slaaptoestand (dieren moeten wakker en alert zijn om voedsel te zoeken en zullen hun waak-slaapcycli volledig omkeren als er alleen voedsel beschikbaar is tijdens hun normale slaapcyclus).

Hypothalamische controle van de thermoregulatie

Cellulaire biochemische reacties vereisen dat de lichaamstemperatuur strak wordt geregeld. Door bijvoorbeeld tijdens een infectie de lichaamstemperatuur met 2 graden C te verhogen, wordt de activiteit van de witte bloedcellen verhoogd, terwijl de meeste bacteriën zich minder goed kunnen vermenigvuldigen. Dit kleine voordeel voor de gastheer kan het verschil betekenen tussen overleven en sterven. Thermoregulatie wordt voornamelijk gecontroleerd door neuronen in de mediane en mediale preoptische kernen, alsook in het laterale preoptische gebied. In het algemeen hebben deze neuronen de neiging een thermogeen gebied in de dorsomediale kern en de paraventriculaire kern te remmen. Deze laatste zenden excitatoire inputs naar hersenstamcelgroepen die de lichaamstemperatuur verhogen. Wanneer de hypothalamus wordt opgewarmd, schakelen remmende neuronen dit thermogene systeem dus uit, en daalt de lichaamstemperatuur. Er is een wisselwerking tussen thermoregulatie en voeding (omdat energie nodig is om warmte te produceren en de stofwisselingssnelheid te verhogen), voortplanting (omdat de lichaamstemperatuur door de menstruatiecyclus wordt beïnvloed) en waak-slaapcycli (omdat de lichaamstemperatuur tijdens de slaap daalt). Wanneer de voedselvoorraden laag zijn, kunnen dieren in een toestand van torpor, of winterslaap, terechtkomen, waarin hun lichaamstemperatuur tot ongeveer 30 graden C daalt en de hersenen in een slaapachtige toestand komen. Anderzijds stijgt de lichaamstemperatuur tijdens stress.

Hypothalamus controle van voortplanting

Bij vrouwelijke zoogdieren houdt de hypothalamus cycli van voortplantingsbereidheid in stand. Dieren komen pas in deze toestand (d.w.z. ze maken de puberteit door) wanneer ze voldoende lichaamsenergie hebben opgeslagen, en in veel soorten de juiste tijd van het jaar, om zich voort te planten. Hypothalamische neuronen in het periventriculaire gebied en de arcuate kern produceren voortplantingshormonen, en seksueel gedrag wordt beïnvloed door de mediale preoptische, de ventromediale en de ventrale premammillaire kernen. De preoptische zone blijkt ook de autonome controle over de genitaliën te regelen (penisvergroting, afscheiding van smering). De voortplanting werkt dus samen met systemen die voldoende energie opslaan, de vochtbalans regelen om de bloedtoevoer naar de zich ontwikkelende foetus te verzekeren, en de thermoregulatie regelen. Het is ook zeer opwindend.

Hypothalamische controle van slaap en waakzaamheid

Neuronen in de achterste helft van de laterale hypothalamus en in de nucleus tuberomammillaris, leveren belangrijke inputs aan de cerebrale cortex en de basale voorhersenen die zich bezighouden met alertheid en opwindingsreacties, en zijn van cruciaal belang voor het produceren van een volledig wakkere toestand. Deze neuronen, en andere in de hersenstam die de waakzaamheid bevorderen, staan op hun beurt onder invloed van een hoofdschakelaar, de ventrolaterale preoptische kern, die de componenten van het arousal-systeem tijdens de slaap remt, en noodzakelijk is voor het ontstaan van een normale slaaptoestand. Het waak-slaapsysteem, met inbegrip van neuronen in de laterale hypothalamus die het peptide orexine bevatten, staat op zijn beurt onder controle van het circadiane systeem. De dorsomediale nucleus, die circadiane tijdsignalen ontvangt van de suprachiasmatische nucleus, lijkt een cruciale rol te spelen in de coördinatie van de twee. De slaap-waakregulatie staat in wisselwerking met voeding, drinken, seksueel en defensief gedrag, die uiteraard allemaal een waaktoestand vereisen. Er is ook een sterke wisselwerking tussen slaap en thermoregulatie.

Hypothalamische controle van stress reacties

Wanneer een dier wordt aangevallen, moet het tot volledige opwinding komen, zijn energievoorraden mobiliseren, en klaar zijn om te vechten of te vluchten. Reproductief gedrag, voedsel zoeken, en andere niet-essentiële taken moeten worden geremd. De signalen die deze reactie reguleren moeten afkomstig zijn van cognitieve en limbische systemen die in staat zijn bedreigingen in te schatten. De paraventriculaire kern speelt een sleutelrol in de stressrespons, omdat deze de meeste neuronen bevat die het corticotropine-afgiftehormoon produceren, dat de afgifte van ACTH en vervolgens van bijniersteroïden veroorzaakt. De paraventriculaire kern bevat ook veel van de autonome controle-neuronen, die nodig zijn om adrenaline vrij te maken. De neuronen van de laterale hypothalamus moeten echter ingeschakeld worden om de cortex in een staat van waakzaamheid te brengen, evenals de neuronen van de mediale hypothalamus om energievoorraden te mobiliseren. Stress remt seksueel gedrag, en kan in sommige gevallen zelfs leiden tot onderbreking van de zwangerschap. Omdat stress van nature niet-specifiek is, d.w.z. dat het elke stimulus kan omvatten die de overleving bedreigt, kan het inherent interageren met elk van de andere hypothalamus regulerende systemen.

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. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 292:R127-R136.

Saper, C.B. (2002) The central autonomic nervous system: Bewuste viscerale perceptie en autonome patroongeneratie. 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) Hypothalamic regulation of sleep and circadian rhythms. Nature 437:1257-1263.

Simerly, R.B. (2002) Wired for reproduction: organization and development of sexually dimorphic circuits in the mammalian forebrain. Annu Rev Neurosci. 2002;25:507-36.

Interne verwijzingen

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

• Bill Blessing en Ian Gibbins (2008) Autonoom zenuwstelsel. Scholarpedia, 3(7):2787.

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

• Richard Bertram, Joel Tabak, Natalia Toporikova (2006) Modellen van de hypothalamus. Scholarpedia, 1(12):1330.

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

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

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

Zie ook

Amygdala, Circadiaan ritme, Limbisch systeem, Modellen van hypothalamus