Hypotalamus är ett litet område vid hjärnans bas, som väger cirka 4 gram av en vuxen människas hjärnvikt på 1 400 gram, men som ändå utför ett stort antal funktioner som är avgörande för individens överlevnad. I allmänhet fungerar hypotalamus som en integrator för att reglera och samordna grundläggande funktioner som är nödvändiga för livet, t.ex. vätske- och elektrolytbalans, matning och energiomsättning, vaken-sömncykler, värmereglering, stressreaktioner samt sexuellt beteende och reproduktion.

• 1 Hypotalamus arkitektur
  • 1.1 Blodförsörjning av hypotalamus
• 2 Inflöden till hypotalamus
• 3 Homeostatiska, allostatiska och cirkadiska kontrollsystem
• 4 Hypotalamisk reglering av endokrina, autonoma, och beteendefunktioner
• 5 Hypotalamisk kontroll av vätske- och elektrolytbalans
• 6 Hypotalamisk kontroll av matning och energiomsättning
• 7 Hypotalamisk kontroll av värmereglering
• 8 Hypotalamisk kontroll av reproduktion
• 9 Hypotalamisk kontroll av sömn och vakenhet
• 10 Hypotalamisk kontroll av stressreaktioner
• 11 Referenser
• 12 Se även

Hypotalamus arkitektur

Lokaliserad strax bakom och mellan ögonen, utgörs den främre gränsen av hypotalamus av det optiska chiasmet. Den avgränsas lateralt av de optiska trakterna och temporalloberna, och hypotalamus bakre gräns, som upptas av mammillärkropparna, avgränsas av hjärnstammarna. Hypotalamus, som bokstavligen ligger under thalamus, delas i mittlinjen av den tredje ventrikeln. Den innehåller en rad någorlunda väl differentierade cellgrupper eller cellkärnor, insprängda mellan två större axonala banor som förbinder den med resten av hjärnan och med det endokrina systemet.

Det periventrikulära axonsystemet upptar den mediala väggen i hypothalamus längs den tredje ventrikeln, medial till de flesta av de hypotalamiska kärnorna. Det innehåller axoner som förbinder hypotalamus med hjärnstammen och thalamus. Vissa periventrikulära axoner, från neuroner som producerar hypofysens frisättande hormoner, går till den mediala eminensen, som är ett kärlområde i botten av tredje ventrikeln. Här utsöndrar de de frisättande hormonerna i portalkapillärerna, som transporterar dem till den främre hypofysen där de styr utsöndringen av prolaktin, tyrotropin, kortikotropin, tillväxthormon, gonadotropa hormoner och prolaktin. Andra periventrikulära axoner, från celler i de supraoptiska och paraventrikulära kärnorna som producerar oxytocin eller vasopressin, går direkt genom hypofysens stjälk till den bakre hypofysen, där deras terminaler utsöndrar dessa hormoner i den allmänna cirkulationen. Många av de neuroner som producerar frisättande hormoner är utspridda längs den tredje ventrikelns vägg, blandade med det periventrikulära systemet. Vid basen av tredje ventrikeln finns dock en särskilt stor samling av sådana neuroner, kallad arcuate nucleus, och längs den dorsala tredje ventrikeln finns en annan sådan samling i den paraventrikulära kärnan.

Det laterala hypotalamiska axonsystemet, som ibland kallas det mediala främre hjärnbunten, löper från rostralt till kaudalt genom det laterala hypotalamiska området och tjänar till att förbinda de mer mediala kärnorna med främre hjärnan ovanför, och med hjärnstammen nedanför. Blandat med det mediala förhjärnbunten finns många relativt stora neuroner, vars axoner ofta ansluter sig till bunten och når så långt rostralt som hjärnbarken och så långt kaudalt som ryggmärgen.

De mediala integrativa kärnorna i hypothalamus kan grovt sett delas in i tre grupper från rostralt till kaudalt. De mest rostrala kärnorna, som motsvarar det preoptiska området, reglerar vätske- och elektrolytbalans, kroppstemperatur och könshormoner . Hjärnans biologiska klocka, den suprachiasmatiska kärnan, finns också på denna nivå, som ligger precis ovanför det optiska chiasmet, liksom neuroner som är kritiska för att orsaka sömn. Den mellersta tredjedelen av hypotalamus innehåller de kärnor som reglerar matning, energiomsättning, stressreaktioner och samordnar allt detta med vaken-sömncykler. Den kaudala tredjedelen av hypotalamus innehåller neuroner som är kritiska för att upprätthålla vakenhet och reagera på nödsituationer.

Hypotalamus blodtillförsel

Slag mot hypotalamus är försvinnande sällsynta, eftersom hypotalamus har den mest frodiga blodtillförseln i hjärnan, vilket anstår en plats som är absolut kritisk för att upprätthålla livet. Hypotalamus är vad Willis-cirkeln kretsar kring. Den är bokstavligen omgiven av den inre halspulsådern och basilarartären och de blodkärl som förbinder dem.

Inflöden till hypotalamus

Hypotalamus sitter vid en korsningspunkt i hjärnan och tar emot direkta sensoriska inflöden från lukt-, smak-, syn- och somatosensoriska system. Den innehåller också inom sig sensorer för t.ex. blodtemperatur, blodsocker- och mineralnivåer och en mängd olika hormoner. Hypothalamus får således sensoriska signaler som är nödvändiga för att upptäcka utmaningar i både den inre och yttre miljön.

Hypothalamus får dessutom signaler från områden i framhjärnan, bland annat från hippocampus, amygdala och den cingulära hjärnbarken. Dessa strukturer bildar den limbiska loben i hjärnan, som tar emot högt bearbetad sensorisk information från hela hjärnbarken och bestämmer dess personliga betydelse för individen. Dessa ingångar driver ett brett spektrum av emotionella reaktioner, och många av de fenomen som vi förknippar med känslouttryck (förändringar i hjärtfrekvensen, rodnad, hår som står på högkant osv.) förmedlas av hypotalamus.

Homeostatiska, allostatiska och cirkadiska kontrollsystem

Hypotalamus skyddar organismens livsviktiga kapacitet på tre kritiska sätt. För det första måste den upprätthålla en väl reglerad inre miljö av elektrolytkoncentrationer och osmolalitet, glukos och andra bränslen samt kroppstemperatur. Det intracellulära biokemiska maskineriet i däggdjurskroppen är ytterst anpassat till denna miljö och kan inte tolerera ens små förändringar i den. När man t.ex. utsätts för natriumnivåer som är 10-15 % för höga eller för låga, för glukosnivåer som är mindre än 50 % av den optimala nivån eller för kroppstemperaturer som ligger 4-5 grader C över eller under det normala, försämras hjärnans funktion avsevärt. Liknande förändringar förekommer i andra vävnader, även om marginalerna kanske inte är lika snäva som för hjärnan. Hypotalamus upprätthåller därför normalt en homeostas (grekiska för ”förbli densamma”) med elektrolyter som natrium som i allmänhet hålls inom 5 % av det optimala, glukos över nivåer som kan orsaka funktionsnedsättning och kroppstemperaturen inom några tiondels grader av det optimala. Hypotalamus åstadkommer detta genom att ha neuroner som antingen tar emot signaler från sensoriska system som övervakar dessa variabler, eller som själva är känsliga för dem. Dessa neuroner försöker att reglera dessa parametrar mot vad som är ett börvärde, på samma sätt som termostaten i ett hem justeras mot ett börvärde.

I motsats till de homeostatiska systemen i hypotalamus hanterar andra system stora och oförutsägbara störningar i miljön som kräver en förändring av beteende och fysiologi. Dessa allostatiska reaktioner sträcker sig från erkännande av och lämpliga anpassningar till närvaron å ena sidan av en partner och å andra sidan av en livshotande attack. Reaktionerna kan omfatta en återställning av olika inställningsvärden (t.ex. ökning av kroppstemperaturen och blodtrycket) samt endokrina anpassningar (t.ex. frisättning av kortisol och adrenalin vid hot), och naturligtvis plötsliga och dramatiska beteendeförändringar (från parning till kamp eller flykt).

Förutom att göra justeringar av den inre miljön som stöder homeostas och reagera på brådskande yttre händelser hjälper hypotalamus också till att förutse dagliga händelser som utlöses av den yttre dag-natt-cykeln. Oavsett om djuren är dagaktiva (vakna på dagen) eller nattaktiva (vakna på natten) har de förutsägbara tider för att äta, dricka, sova och ha sexuellt beteende. Alla dessa regleras av det cirkadiska tidssystemet i hjärnan, så att kroppen förutser sina olika krav och möjligheter. Till exempel når vakenheten och kortisolnivåerna sin topp vid den tid på dygnet som krävs för att ett djur ska söka föda, medan börvärdet för kroppstemperaturen sjunker en hel grad under den tid på dygnet då djuret sover.

Hypotalamus reglering av endokrina, autonoma och beteendemässiga funktioner

För att utöva sin kontroll över så många kroppsliga funktioner använder hypotalamus tre huvudutgångar: autonoma, endokrina och beteendemässiga system. I den autonoma kontrollen innehåller hypotalamus neuroner som skickar axoner direkt till de preganglionära neuronerna för både det sympatiska och det parasympatiska nervsystemet. Dessa neuroner för autonom kontroll finns i de paraventrikulära och bågformiga kärnorna och i det laterala hypotalamiska området. Dessutom har hypotalamus omfattande utgångar för att justera hjärnstamkretsar som reglerar autonoma reflexer.

Hypotalamus styr det endokrina systemet på tre sätt. För det första skickar neuronerna i de paraventrikulära och supraoptiska kärnorna, som beskrivits ovan, sina axoner för att bilda den bakre hypofysen, där de utsöndrar oxytocin och vasopressin. För det andra skickar neuronerna i de periventrikulära, paraventrikulära och bågformiga kärnorna axoner till den mediala eminensen för att utsöndra hypofysens hormonfrisättande hormoner som reglerar den främre hypofysen. Slutligen kontrollerar hypotalamus de autonoma utgångarna till många perifera endokrina vävnader, som ytterligare reglerar deras utsöndring.

Hypotalamisk kontroll av beteende förmedlas på flera sätt. För det första spelar det laterala hypotalamiska området och den histaminerga tuberomammillära kärnan en viktig roll när det gäller att bestämma den övergripande nivån av vakenhet eller upphetsning. För det andra kan hypotalamiska ingångar till olika motoriska mönstergeneratorer öka sannolikheten för specifika beteenden. När de flesta djur är hungriga måste de till exempel leta efter mat, sedan utforska den genom att slicka och sniffa och slutligen äta den. Hypotalamus kan sänka tröskeln för aktivering av motoriska mönstergeneratorer för förflyttning och för sniffande och orala beteenden som är involverade i intag av föda. På så sätt är djuren mer benägna att stöta på mat och mer benägna att utforska och konsumera den. För det tredje finns det hypotalamiska nedåtgående utgångar till sensoriska system som kan göra dem känsliga (t.ex. när man är hungrig smakar maten bättre) eller okänsliga (t.ex. när man är hotad uppfattar man inte smärta lika lätt). Slutligen kan hypotalamus kontroll av autonoma reaktioner ge upphov till signaler (magsjuka när man är hungrig, muntorrhet när man är törstig) som når medveten uppskattning i högre kognitiva system som ett behov av att utföra ett beteende (i det här fallet att äta eller dricka). På samma sätt kan hypotalamus reglering av endokrina system återkoppla till hjärnan. Till exempel har många neuroner i hjärnan receptorer för steroidhormoner som är involverade i reproduktion, stressreaktioner eller saltutarmning, och förändringar i dessa hormoner kan förändra sannolikheten för olika komplexa beteenden som regleras av dessa neuronala system.

Hypotalamisk kontroll av vätske- och elektrolytbalans

För att bibehålla en adekvat vävnadsperfusion måste hypotalamus reglera vätskeanskaffningen genom att dricka, och styra osmolaliteten och elektrolytinnehållet i blodet, liksom den totala blodvolymen. När det finns ett överskott av vätskevolym måste den reglera njurarnas diurese. Dessa uppgifter regleras av det preoptiska området, särskilt den mediala preoptiska kärnan och organum vasculosum i lamina terminalis, längs den främre väggen i den tredje ventrikeln. Dryckesbeteendet är nära kopplat till matning och till värmereglering (eftersom många av de kylstrategier som hjärnan använder sig av innebär värmeförlust genom vattenavdunstning).

Hypotalamisk kontroll av matning och energiomsättning

Den vanligaste dödsorsaken för de flesta djur är svält. För att försäkra sig om tillräckliga energilager måste hypotalamus styra ätbeteendet och reglera ämnesomsättningen. Omvandlingen av bränsle från socker till fett under tider av överflöd, eller av proteiner till bränsle under magra tider, står under kontroll av hypotalamus autonoma och endokrina regleringar. Kontrollen av matning och energimetabolism utförs huvudsakligen av arcuate nucleus, som samarbetar med de ventromediala och dorsomediala kärnorna, den paraventrikulära kärnan och den laterala hypotalamus. Regleringen av energimetabolismen samverkar med reproduktion (eftersom djur endast har råd att reproducera sig när det finns tillräckligt med mat för att säkerställa avkommans överlevnad), termoreglering (vid svält sjunker ämnesomsättningen och kroppstemperaturen är lägre) och vaken-sömntillstånd (djur måste vara vakna och alerta för att leta efter föda och kommer att helt omvända sin vaken-sömncykel om det endast finns föda att tillgå under deras normala sömncykel).

Hypotalamisk kontroll av termoreglering

Cellulära biokemiska reaktioner kräver att kroppstemperaturen kontrolleras noggrant. Genom att till exempel höja kroppstemperaturen med 2 grader C under en infektion ökar de vita blodkropparnas aktivitet, samtidigt som de flesta bakterier får sämre förutsättningar att föröka sig. Denna lilla fördel för värden kan innebära skillnaden mellan överlevnad och död. Termoregleringen styrs huvudsakligen av neuroner i de mediala och mediala preoptiska kärnorna samt det laterala preoptiska området. I allmänhet tenderar dessa neuroner att hämma en termogen region i den dorsomediala kärnan och den paraventrikulära kärnan. De sistnämnda sänder excitatoriska signaler till hjärnstammens cellgrupper som ökar kroppstemperaturen. Så när hypotalamus värms upp stänger de hämmande neuronerna av detta termogena system och kroppstemperaturen sjunker. Termoregleringen samverkar med matning (eftersom det krävs energi för att producera värme och öka ämnesomsättningen), reproduktion (eftersom kroppstemperaturen påverkas av menstruationscyklerna) och vaken-sömncyklerna (eftersom kroppstemperaturen sjunker under sömnen). När matförråden är låga kan djuren gå in i ett tillstånd av torpor, eller vinterdvala, där kroppstemperaturen sjunker till cirka 30 grader C och hjärnan går in i ett sömnliknande tillstånd. Å andra sidan ökar kroppstemperaturen vid stress.

Hypotalamisk kontroll av reproduktion

Hypotalamus upprätthåller hos däggdjurshonor cykler av reproduktionsberedskap. Djuren går inte in i detta tillstånd (dvs. genomgår puberteten) förrän de har uppnått tillräckliga energidepåer i kroppen, och hos många arter rätt tid på året, för fortplantning. Hypotalamiska neuroner i den periventrikulära regionen och arcuate nucleus producerar reproduktionshormoner, och det sexuella beteendet påverkas av de mediala preoptiska, ventromediala och ventrala premammillära kärnorna. Det preoptiska området tycks också reglera den autonoma kontrollen över könsorganen (erektion av penis, utsöndring av smörjmedel). Fortplantningen samverkar således med system som kontrollerar tillräckliga energidepåer, vätskebalans för att säkerställa blodtillförseln till det framväxande fostret och värmereglering. Den är också mycket upphetsande.

Hypotalamisk kontroll av sömn och vakenhet

Neuroner i den bakre halvan av den laterala hypotalamus samt i den tuberomammillära kärnan ger viktiga inflöden till hjärnbarken och den basala framhjärnan som berörs av varning och upphetsningsreaktioner, och som är kritiska för att producera ett fullt vaket tillstånd. Dessa neuroner, och andra i hjärnstammen som främjar vakenhet, står i sin tur under inflytande av en huvudströmbrytare, den ventrolaterala preoptiska kärnan, som hämmar komponenterna i väckelsesystemet under sömnen och som är nödvändig för att normala sömntillstånd ska uppstå. Väck-sömn-systemet, inklusive neuroner i den laterala hypotalamus som innehåller peptiden orexin, står i sin tur under kontroll av det cirkadiska systemet. Den dorsomediala kärnan, som tar emot cirkadiska tidssignaler från den suprachiasmatiska kärnan, verkar spela en avgörande roll för att samordna de två. Regleringen av sömn och vakenhet samverkar med matning, drickande, sexuellt och defensivt beteende, som alla naturligtvis kräver ett vaket tillstånd. Det finns också en stark interaktion mellan sömn och termoreglering.

Hypotalamisk kontroll av stressreaktioner

När ett djur blir attackerat måste det nå full vakenhet, mobilisera sina energidepåer och vara redo att antingen slåss eller fly. Reproduktionsbeteende, födosök och andra icke väsentliga uppgifter måste hämmas. Signalerna som reglerar denna reaktion måste komma från kognitiva och limbiska system som kan bedöma hot. Den paraventrikulära kärnan spelar en nyckelroll i stressreaktioner, eftersom den innehåller de flesta neuronerna som producerar kortikotropinfrisättande hormon, vilket orsakar frisättning av ACTH och sedan binjurebarksteroider. Den paraventrikulära kärnan innehåller också många av de autonoma kontrollneuronerna, som är nödvändiga för att orsaka adrenalinfrisättning. De laterala hypotalamiska neuronerna måste dock aktiveras för att få hjärnbarken att nå ett fullt tillstånd av vakenhet, liksom de mediala hypotalamiska neuronerna för att mobilisera energidepåerna. Stress hämmar det sexuella beteendet och kan i vissa fall till och med leda till att graviditeten avbryts. Eftersom stress till sin natur är ospecifik, dvs. att den kan innefatta vilket stimulus som helst som hotar överlevnaden, kan den till sin natur interagera med något av de andra hypotalamiska regleringssystemen.

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: Conscious visceral perception and autonomic pattern generation. 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) Hypotalamisk reglering av sömn och cirkadiska rytmer. 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.

Interna referenser

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

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

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

• Richard Bertram, Joel Tabak, Natalia Toporikova (2006) Modeller av hypotalamus. Scholarpedia, 1(12):1330.

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

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

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

Se även

Amygdala, Cirkadisk rytm, Limbiskt system, Modeller av hypotalamus

.