Ipotalamusul este o zonă mică de la baza creierului, cântărind aproximativ 4 gm din greutatea creierului de 1400 gm al unui om adult, dar care îndeplinește o gamă largă de funcții vitale pentru supraviețuirea individului. În general, hipotalamusul acționează ca un integrator pentru a regla și coordona funcțiile de bază necesare vieții, cum ar fi echilibrul lichidelor și al electroliților, alimentația și metabolismul energetic, ciclurile de veghe și somn, termoreglarea, răspunsurile la stres, precum și comportamentul sexual și reproducerea.

• 1 Arhitectura hipotalamusului
  • 1.1 Alimentarea cu sânge a hipotalamusului
• 2 Intrări în hipotalamus
• 3 Sisteme de control homeostatic, alostatic și circadian
• 4 Reglarea hipotalamică a sistemului endocrin, autonom, și a funcțiilor comportamentale
• 5 Controlul hipotalamic al echilibrului hidric și electrolitic
• 6 Controlul hipotalamic al alimentației și al metabolismului energetic
• 7 Controlul hipotalamic al termoreglementării
• 8 Controlul hipotalamic al reproducerii
• 9 Controlul hipotalamic al somnului și al stării de veghe
• 10 Controlul hipotalamic al răspunsurilor la stres
• 11 Referințe
• 12 Vezi și

Arhitectura hipotalamusului

Localizat chiar în spatele și între ochi, granița anterioară a hipotalamusului este formată de chiasma optică. Ea este mărginită lateral de tracturile optice și de lobii temporali, iar limita posterioară a hipotalamusului, ocupată de corpii mamilari, este delimitată de pedunculii cerebrali. Hipotalamusul, situat literalmente sub talamus, este împărțit pe linia mediană de cel de-al treilea ventricul. Acesta conține o serie de grupuri de celule sau nuclee rezonabil de bine diferențiate, intercalate între două căi axonale majore care îl conectează cu restul creierului și cu sistemul endocrin.

Sistemul axonal periventricular ocupă peretele medial al hipotalamusului de-a lungul celui de-al treilea ventricul, medial față de majoritatea nucleilor hipotalamici. Acesta conține axoni care conectează hipotalamusul cu trunchiul cerebral și talamusul. Unii axoni periventriculari, de la neuronii care produc hormoni de eliberare a hipofizei, se deplasează spre eminența mediană, care este o zonă vasculară din podeaua celui de-al treilea ventricul. Aici secretă hormonii eliberatori în capilarele portale, care îi transportă către glanda pituitară anterioară, unde controlează secreția de prolactină, tirotropină, corticotropină, hormon de creștere, hormoni gonadotropi și prolactină. Alți axoni periventriculari, de la celulele din nucleii supraoptici și paraventriculari care produc oxitocină sau vasopresină, trec direct prin pedunculul hipofizar până la hipofiza posterioară, unde terminalele lor secretă acești hormoni în circulația generală. Mulți dintre neuronii care produc hormoni eliberatori sunt împrăștiați de-a lungul peretelui celui de-al treilea ventricul, amestecați cu sistemul periventricular. Cu toate acestea, la baza celui de-al treilea ventricul există o colecție deosebit de mare de astfel de neuroni, numită nucleul arcuat, iar de-a lungul ventriculului al treilea dorsal se află o altă astfel de grupare în nucleul paraventricular.

Sistemul de axoni hipotalamici laterali, numit uneori fasciculul forebrain medial, trece de la rostral la caudal prin zona hipotalamică laterală, servind la conectarea nucleilor mai mediali cu forebrainul de deasupra și cu trunchiul cerebral de dedesubt. Amestecați în mănunchiul medial al creierului anterior se află mulți neuroni relativ mari, ai căror axoni se alătură frecvent mănunchiului, ajungând atât în partea rostrală până la cortexul cerebral, cât și în partea caudală până la măduva spinării.

Nucleii integratori mediali ai hipotalamusului pot fi împărțiți, în linii mari, în trei grupe, de la rostral la caudal. Nucleii cei mai rostrali, care corespund zonei preoptice, reglează echilibrul lichidelor și electroliților, temperatura corpului și hormonii sexuali . Ceasul biologic al creierului, nucleul suprachiasmatic, se află, de asemenea, la acest nivel, care se află chiar deasupra chiasmei optice, la fel ca și neuronii care sunt esențiali pentru provocarea somnului. Treimea mijlocie a hipotalamusului conține nucleii care reglează alimentația, metabolismul energetic, răspunsurile la stres și care coordonează toate acestea cu ciclurile de veghe și somn. Treimea caudală a hipotalamusului conține neuronii care sunt esențiali pentru menținerea stării de veghe și pentru a răspunde la urgențe.

Alimentarea cu sânge a hipotalamusului

Acturile hipotalamusului sunt extrem de rare, deoarece hipotalamusul are cea mai luxuriantă alimentare cu sânge din creier, corespunzătoare unui loc care este absolut critic pentru menținerea vieții. Hipotalamusul este ceea ce înconjoară cercul lui Willis. Este literalmente înconjurat de arterele carotide interne și arterele bazilare, precum și de vasele de sânge care le conectează.

Intrări în hipotalamus

Ipotalamusul se află la o răscruce de drumuri în creier, primind intrări senzoriale directe de la sistemele olfactiv, gustativ, vizual și somatosenzorial. De asemenea, conține în interiorul său senzori pentru lucruri precum temperatura sângelui, nivelurile de zahăr din sânge și de minerale, precum și o varietate de hormoni. Astfel, hipotalamusul primește intrările senzoriale necesare pentru a detecta provocările atât în mediul intern, cât și în cel extern.

În plus, hipotalamusul primește intrări de la zone ale creierului anterior, inclusiv hipocampul, amigdala și cortexul cingular. Aceste structuri formează lobul limbic al creierului, care primește informații senzoriale foarte bine procesate din întregul cortex cerebral și le determină importanța personală pentru individ. Aceste intrări determină o gamă largă de răspunsuri emoționale, iar multe dintre fenomenele pe care le asociem cu expresia emoțională (modificări ale ritmului cardiac, înroșirea, părul care se ridică în vârful capului etc.) sunt mediate de hipotalamus.

Sistemele de control homeostatic, alostatic și circadian

Ipotalamusul protejează capacitatea vitală a organismului în trei moduri critice. În primul rând, trebuie să mențină un mediu intern bine reglat al concentrațiilor de electroliți și al osmolalității, al glucozei și al altor combustibili, precum și al temperaturii corpului. Mașinăria biochimică intracelulară a organismului mamiferelor este adaptată în mod rafinat la acest mediu și nu poate tolera nici măcar mici modificări ale acestuia. Atunci când este expus la niveluri de sodiu, de exemplu, care sunt cu 10-15% prea mari sau prea mici; la niveluri de glucoză mai mici de 50% din cele optime; sau la temperaturi corporale cu 4-5 grade C mai mari sau mai mici decât cele normale, are loc o degradare substanțială a funcției cerebrale. Modificări similare apar și în alte țesuturi, deși, probabil, cu marje poate nu atât de înguste ca în cazul creierului. Prin urmare, hipotalamusul menține în mod normal o homeostază (în greacă înseamnă „a rămâne la fel”), cu electroliții, cum ar fi sodiul, menținuți, în general, în limita a 5% din valoarea optimă; glucoza peste nivelurile care ar putea cauza afectare; și temperatura corpului în limita a câteva zecimi de grad din valoarea optimă. Hipotalamusul realizează acest lucru prin faptul că are neuroni care fie primesc intrări de la sistemele senzoriale care monitorizează aceste variabile, fie sunt ei înșiși sensibili la ele. Acești neuroni încearcă să regleze acești parametri în raport cu ceea ce echivalează cu un punct de referință, la fel cum termostatul dintr-o casă este reglat la un punct de referință.

În contrast cu sistemele homeostatice ale hipotalamusului, alte sisteme se confruntă cu perturbații mari și imprevizibile ale mediului care necesită o schimbare în comportament și fiziologie. Aceste răspunsuri alostatice variază de la recunoașterea și adaptarea corespunzătoare la prezența, pe de o parte, a unui partener și, pe de altă parte, a unui atac care amenință viața. Răspunsurile pot include resetarea diferitelor puncte de reglaj (de exemplu, creșterea temperaturii corporale și a tensiunii arteriale), precum și ajustări endocrine (cum ar fi eliberarea de cortizol și adrenalină atunci când se află sub amenințare) și, bineînțeles, includ modificări abrupte și dramatice ale comportamentului (de la împerechere la luptă sau fugă).

Pe lângă faptul că face ajustări ale mediului intern care susțin homeostazia și răspunde la evenimente externe urgente, hipotalamusul ajută, de asemenea, la anticiparea evenimentelor zilnice care sunt declanșate de ciclul extern zi-noapte. Indiferent dacă animalele sunt diurne (treze în timpul zilei) sau nocturne (treze noaptea), ele au momente previzibile pentru hrănire, băutură, somn și comportament sexual. Toate acestea sunt reglementate de sistemul de sincronizare circadiană din creier, astfel încât organismul anticipează diversele sale cerințe și oportunități. De exemplu, starea de veghe și nivelul de cortizol atinge cote maxime în momentul din zi necesar pentru ca un animal să caute hrană, în timp ce punctul de referință pentru temperatura corpului scade cu un grad întreg în timpul perioadei din zi în care un animal doarme.

Reglarea hipotalamică a funcțiilor endocrine, autonome și comportamentale

Pentru a-și exercita controlul asupra atâtor funcții corporale, hipotalamusul folosește trei ieșiri majore: sistemele autonom, endocrin și comportamental. În controlul autonom, hipotalamusul conține neuroni care trimit axoni direct la neuronii preganglionari atât pentru sistemul nervos simpatic, cât și pentru cel parasimpatic. Acești neuroni de control autonom se află în nucleii paraventriculari și arcuate, precum și în zona hipotalamică laterală. În plus, hipotalamusul are ieșiri extinse pentru a regla circuitele trunchiului cerebral care reglează reflexele autonome.

Ipotalamusul controlează sistemul endocrin în trei moduri. În primul rând, așa cum s-a descris mai sus, neuronii din nucleii paraventricular și supraoptic își trimit axonii pentru a forma glanda pituitară posterioară, unde secretă oxitocină și vasopresină. În al doilea rând, neuronii din nucleele periventricular, paraventricular și arcuat trimit axonii către eminența mediană, pentru a secreta hormoni de eliberare a hormonilor hipofizari, care reglează glanda pituitară anterioară. În cele din urmă, hipotalamusul controlează ieșirile autonome către numeroase țesuturi endocrine periferice, care reglează în continuare secreția acestora.

Controlul hipotalamic al comportamentului este mediat în mai multe moduri. În primul rând, zona hipotalamică laterală și nucleul histaminergic tuberomamilar joacă un rol major în determinarea nivelului general de veghe sau de excitare. În al doilea rând, intrările hipotalamice către diverși generatori de modele motorii pot crește probabilitatea unor comportamente specifice. De exemplu, atunci când le este foame, majoritatea animalelor trebuie să caute hrană, apoi să o exploreze prin lingere și adulmecare și, în cele din urmă, să o consume. Hipotalamusul poate reduce pragul de activare a generatorilor de tipare motorii pentru locomoție, precum și pentru comportamentele de adulmecare și oralitate care sunt implicate în ingerarea alimentelor. Astfel, este mai probabil ca animalele să întâlnească hrana și este mai probabil să o exploreze și să o consume. În al treilea rând, există ieșiri hipotalamice descendente către sistemele senzoriale care le pot sensibiliza (de exemplu, atunci când le este foame, mâncarea are un gust mai bun) sau le pot desensibiliza (de exemplu, atunci când sunt amenințate, durerea nu este percepută la fel de ușor). În cele din urmă, controlul hipotalamic al răspunsurilor autonome poate provoca semnale (mormăitul stomacului atunci când este foame; gura uscată atunci când este sete) care ajung la aprecierea conștientă în sistemele cognitive superioare ca o nevoie de a se angaja într-un comportament (în acest caz, să mănânce sau să bea). În mod similar, reglarea hipotalamică a sistemelor endocrine se poate feed-back asupra creierului. De exemplu, mulți neuroni din creier au receptori pentru hormonii steroizi implicați în reproducere, răspunsurile la stres sau epuizarea sării, iar modificările acestor hormoni pot modifica probabilitatea diverselor comportamente complexe reglementate de aceste sisteme neuronale.

Controlul hipotalamic al echilibrului de lichide și electroliți

Pentru a menține o perfuzie tisulară adecvată, hipotalamusul trebuie să reglementeze achiziția de lichide prin băutură și să controleze osmolalitatea și conținutul de electroliți din sânge, precum și volumul sanguin general. Atunci când există un volum de lichid în exces, acesta trebuie să reglementeze diureza prin rinichi. Aceste sarcini se află sub reglementarea zonei preoptice, în special a nucleului preoptic median și a organum vasculosum din lamina terminalis, de-a lungul peretelui anterior al celui de-al treilea ventricul. Comportamentul de a bea este strâns legat de hrănire și de termoreglare (deoarece multe dintre strategiile de răcire utilizate de creier implică pierderea de căldură prin evaporarea apei).

Controlul hipotalamic al alimentației și al metabolismului energetic

Cea mai frecventă cauză a morții pentru majoritatea animalelor este înfometarea. Pentru a asigura rezerve adecvate de energie, hipotalamusul trebuie să conducă comportamentul alimentar și să reglementeze rata metabolică. Transformarea combustibilului din zaharuri în grăsimi în perioadele de abundență, sau a proteinelor în combustibil în perioadele de sărăcie, se află sub controlul reglării autonome și endocrine hipotalamice. Controlul alimentației și al metabolismului energetic este realizat în principal de către nucleul arcuat, care lucrează cu nucleele ventromedial și dorsomedial, nucleul paraventricular și hipotalamusul lateral. Reglarea metabolismului energetic interacționează cu reproducerea (deoarece animalele își pot permite să se reproducă doar atunci când există suficientă hrană pentru a asigura supraviețuirea urmașilor), cu termoreglarea (în perioadele de înfometare, rata metabolică scade și temperatura corpului este mai scăzută) și cu stările de veghe-somn (animalele trebuie să fie treze și alerte pentru a căuta hrană și își vor inversa complet ciclurile de veghe-somn dacă hrana este disponibilă doar în timpul ciclului lor normal de somn).

Controlul hipotalamic al termoreglementării

Reacțiile biochimice celulare necesită ca temperatura corpului să fie strâns controlată. De exemplu, prin creșterea temperaturii corpului cu 2 grade C în timpul unei infecții, activitatea celulelor albe din sânge este crescută, în timp ce majoritatea bacteriilor sunt mai puțin capabile să se reproducă. Acest mic avantaj pentru gazdă poate face diferența între supraviețuire și moarte. Termoreglarea este controlată în principal de neuronii din nucleii preoptici mediani și mediali, precum și din zona preoptică laterală. În general, acești neuroni au tendința de a inhiba o regiune termogenică din nucleul dorsomedial și nucleul paraventricular. Acestea din urmă trimit intrări excitatorii către grupurile de celule din trunchiul cerebral care cresc temperatura corpului. Astfel, atunci când hipotalamusul este încălzit, neuronii inhibitori dezactivează acest sistem termogenic, iar temperatura corpului scade. Termoreglarea interacționează cu hrănirea (deoarece este nevoie de energie pentru a produce căldură și pentru a crește rata metabolică), cu reproducerea (deoarece temperatura corpului este afectată de ciclurile menstruale) și cu ciclurile de veghe-somn (deoarece temperatura corpului scade în timpul somnului). Atunci când rezervele de hrană sunt scăzute, animalele pot intra într-o stare de toropeală sau hibernare, în care temperatura corpului scade la aproximativ 30 de grade C, iar creierul intră într-o stare asemănătoare somnului. Pe de altă parte, temperatura corpului crește în timpul stresului.

Controlul hipotalamic al reproducerii

La femelele mamifere, hipotalamusul menține ciclurile de pregătire a reproducerii. Animalele nu intră în această stare (adică trec prin pubertate) până când nu au realizat suficiente rezerve de energie corporală și, la multe specii, perioada corectă a anului, pentru reproducere. Neuronii hipotalamici din regiunea periventriculară și nucleul arcuat produc hormoni de reproducere, iar comportamentul sexual este influențat de nucleele preoptic medial, ventromedial și premamilar ventral. Zona preoptică pare să reglementeze, de asemenea, controlul autonom asupra organelor genitale (erecția penisului, secreția de lubrifiere). Reproducerea interacționează astfel cu sistemele care controlează rezervele adecvate de energie, echilibrul fluidelor pentru a asigura alimentarea cu sânge a fătului în dezvoltare și termoreglarea. Este, de asemenea, foarte excitantă.

Controlul hipotalamic al somnului și al stării de veghe

Neuronii din jumătatea posterioară a hipotalamusului lateral, precum și din nucleul tuberomamilar, furnizează intrări majore către cortexul cerebral și creierul anterior bazal care se ocupă de răspunsurile de alertă și de excitare și sunt esențiale pentru producerea unei stări de veghe deplină. Acești neuroni, precum și alții din trunchiul cerebral care promovează starea de veghe, se află, la rândul lor, sub influența unui comutator principal, nucleul preoptic ventrolateral, care inhibă componentele sistemului de trezire în timpul somnului și care este necesar pentru ca stările normale de somn să apară. Sistemul de veghe și somn, inclusiv neuronii din hipotalamusul lateral care conțin peptida orexină, se află la rândul său sub controlul sistemului circadian. Nucleul dorsomedial, care primește semnale de sincronizare circadiană de la nucleul suprachiasmatic, pare să joace un rol critic în coordonarea celor două. Reglarea somnului și a stării de veghe interacționează cu alimentația, băutura și comportamentul sexual și defensiv, toate acestea necesitând, bineînțeles, o stare de veghe. Există, de asemenea, o interacțiune puternică între somn și termoreglare.

Controlul hipotalamic al răspunsurilor la stres

Când un animal este atacat, el trebuie să ajungă la o trezire completă, să-și mobilizeze rezervele de energie și să fie pregătit fie pentru luptă, fie pentru fugă. Comportamentul reproductiv, căutarea hranei și alte sarcini neesențiale trebuie să fie inhibate. Semnalele care reglează acest răspuns trebuie să provină de la sistemele cognitive și limbice care sunt capabile să evalueze amenințările. Nucleul paraventricular joacă un rol-cheie în răspunsurile la stres, deoarece conține majoritatea neuronilor care produc hormonul de eliberare a corticotropinei, care determină eliberarea ACTH și apoi a steroizilor suprarenali. Nucleul paraventricular conține, de asemenea, mulți dintre neuronii de control autonom, necesari pentru a determina eliberarea de adrenalină. Cu toate acestea, neuronii hipotalamici laterali trebuie să fie implicați pentru a aduce cortexul la o stare completă de veghe alertă, la fel ca și neuronii hipotalamici mediali pentru a mobiliza rezervele de energie. Stresul inhibă comportamentul sexual și, în unele cazuri, poate duce chiar la întreruperea sarcinii. Deoarece stresul este în mod inerent nespecific, adică poate include orice stimul care amenință supraviețuirea, acesta poate interacționa în mod inerent cu oricare dintre celelalte sisteme hipotalamice de reglementare.

Elmquist, J.K., Coppari, R.., Balthasar, N., Ichinose, M., Lowell, B.B. (2005) Identificarea căilor hipotalamice care controlează aportul alimentar, greutatea corporală și homeostazia glucozei. J Comp Neurol. 493:63-71.

Morton, G.J., Cummings, D.E., Baskin, D.G., Barsh G.S., Schewartz, M.W. (2006) Controlul sistemului nervos central al aportului alimentar și al greutății corporale. Nature. 443:289-295.

Nakamura, K., și Morrison, S.F. (2007) Căile eferente centrale care mediază termogeneza simpatică provocată de răcirea pielii în țesutul adipos brun. Am J Physiol Regul Regul Integr Comp Physiol. 292:R127-R136.

Saper, C.B. (2002) Sistemul nervos autonom central: Percepția viscerală conștientă și generarea modelului autonom. Ann Rev. Neurosci. 25:433-469.

Saper, C.B., Chou, T.C., Elmquist, J.K. (2002) Nevoia de a se hrăni: controlul homeostatic și hedonic al mâncării. Neuron 36:199-211.

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

Saper, C.B., Scammell, T.E., Lu, J. (2005) Reglarea hipotalamică a somnului și a ritmurilor circadiene. 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.

Referințe interne

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

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

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

• Richard Bertram, Joel Tabak, Natalia Toporikova (2006) Modele de hipotalamus. 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.

Vezi și

Amigdala, Ritmul circadian, Sistemul limbic, Modele de hipotalamus

.