Гипоталамус ( мн. ч .: hypothalami ; от древнегреческого ὑπό ( hupó ) «под» и θάλαμος ( thálamos ) «камера») — небольшая часть мозга позвоночных , которая содержит ряд ядер с различными функциями. Одной из наиболее важных функций является связь нервной системы с эндокринной системой через гипофиз . Гипоталамус расположен под таламусом и является частью лимбической системы . [1] Он образует базальную часть промежуточного мозга . Все позвоночные мозги содержат гипоталамус. [2] У людей он примерно размером с миндаль . [3]
Гипоталамус имеет функцию регулирования определенных метаболических процессов и других видов деятельности автономной нервной системы . Он синтезирует и секретирует определенные нейрогормоны , называемые рилизинг-гормонами или гипоталамическими гормонами, и они, в свою очередь, стимулируют или подавляют секрецию гормонов из гипофиза. Гипоталамус контролирует температуру тела , голод , важные аспекты родительского и материнского поведения , жажду , [4] усталость , сон , циркадные ритмы и играет важную роль в определенных социальных формах поведения, таких как сексуальное и агрессивное поведение. [5] [6]
Гипоталамус делится на четыре области (преоптическую, супраоптическую, туберальную, маммиллярную) в парасагиттальной плоскости, что указывает на расположение спереди назад; и три зоны (перивентрикулярную, промежуточную, латеральную) в коронарной плоскости, что указывает на расположение медиально-латерально. [7] Ядра гипоталамуса расположены в этих конкретных областях и зонах. [8] Он обнаружен во всех позвоночных нервных системах. У млекопитающих крупноклеточные нейросекреторные клетки в паравентрикулярном ядре и супраоптическом ядре гипоталамуса вырабатывают нейрогипофизарные гормоны , окситоцин и вазопрессин . [9] Эти гормоны выделяются в кровь в задней доле гипофиза . [10] Гораздо меньшие парвоцеллюлярные нейросекреторные клетки , нейроны паравентрикулярного ядра, выделяют кортиколиберин и другие гормоны в портальную систему гипофиза , откуда эти гормоны диффундируют в переднюю долю гипофиза . [ необходима ссылка ]
К ядрам гипоталамуса относятся следующие: [11] [12]
Гипоталамус тесно связан с другими частями центральной нервной системы , в частности со стволом мозга и его ретикулярной формацией . Как часть лимбической системы , он имеет связи с другими лимбическими структурами, включая миндалевидное тело и перегородку , а также связан с областями автономной нервной системы .
Гипоталамус получает множество сигналов от ствола мозга , наиболее важные из которых — от ядра одиночного пути , голубого пятна и вентролатеральной части продолговатого мозга .
Большинство нервных волокон в гипоталамусе проходят в двух направлениях (двунаправленные).
Несколько ядер гипоталамуса являются сексуально диморфными ; т. е. существуют четкие различия как в структуре, так и в функциях между самцами и самками. [19] Некоторые различия очевидны даже в общей нейроанатомии: наиболее заметным является сексуально диморфное ядро в преоптической области , [19] в котором различия представляют собой тонкие изменения в связности и химической чувствительности определенных наборов нейронов. Важность этих изменений можно распознать по функциональным различиям между самцами и самками. Например, самцы большинства видов предпочитают запах и внешний вид самок самцам, что играет важную роль в стимуляции мужского сексуального поведения. Если сексуально диморфное ядро повреждено, это предпочтение самок самцами уменьшается. Кроме того, характер секреции гормона роста является сексуально диморфным; [20] вот почему у многих видов взрослые самцы визуально отличаются по размерам от самок.
Другие поразительные функциональные диморфизмы находятся в поведенческих реакциях на овариальные стероиды у взрослых. Самцы и самки реагируют на овариальные стероиды по-разному, отчасти потому, что экспрессия эстроген-чувствительных нейронов в гипоталамусе является сексуально диморфной; т. е. эстрогеновые рецепторы экспрессируются в разных наборах нейронов. [ необходима цитата ]
Эстроген и прогестерон могут влиять на экспрессию генов в определенных нейронах или вызывать изменения в потенциале клеточной мембраны и активации киназы , что приводит к разнообразным негеномным клеточным функциям. Эстроген и прогестерон связываются со своими родственными ядерными гормональными рецепторами , которые перемещаются в ядро клетки и взаимодействуют с областями ДНК, известными как элементы ответа на гормон (HRE), или привязываются к сайту связывания другого фактора транскрипции . Было показано, что рецептор эстрогена (ER) трансактивирует другие факторы транскрипции таким образом, несмотря на отсутствие элемента ответа на эстроген (ERE) в проксимальной области промотора гена. В целом, ER и рецепторы прогестерона (PR) являются активаторами генов с повышенным уровнем мРНК и последующим синтезом белка после воздействия гормона. [ необходима цитата ]
Мозг мужчины и женщины отличается распределением эстрогеновых рецепторов, и это различие является необратимым следствием неонатального воздействия стероидов. [ необходима цитата ] Рецепторы эстрогена (и рецепторы прогестерона) в основном находятся в нейронах переднего и медиобазального гипоталамуса, а именно:
В неонатальном периоде гонадные стероиды влияют на развитие нейроэндокринного гипоталамуса. Например, они определяют способность самок демонстрировать нормальный репродуктивный цикл, а самцов и самок — демонстрировать соответствующее репродуктивное поведение во взрослой жизни.
У приматов влияние андрогенов на развитие менее ясно, а последствия менее понятны. В мозге тестостерон ароматизируется (в эстрадиол ), который является основным активным гормоном для влияния на развитие. Человеческие яички секретируют высокие уровни тестостерона примерно с 8-й недели эмбриональной жизни до 5–6 месяцев после рождения (подобный перинатальный всплеск тестостерона наблюдается у многих видов), процесс, который, по-видимому, лежит в основе мужского фенотипа. Эстроген из материнской циркуляции относительно неэффективен, отчасти из-за высоких уровней циркулирующих стероидсвязывающих белков во время беременности. [23]
Половые стероиды — не единственные важные факторы, влияющие на развитие гипоталамуса; в частности, стресс в препубертатном периоде в раннем возрасте (у крыс) определяет способность взрослого гипоталамуса реагировать на острый стрессор. [24] В отличие от рецепторов гонадных стероидов, рецепторы глюкокортикоидов широко распространены по всему мозгу; в паравентрикулярном ядре они опосредуют отрицательную обратную связь, контролирующую синтез и секрецию КРФ , но в других местах их роль изучена недостаточно.
Гипоталамус имеет центральную нейроэндокринную функцию, в частности, контроль над передней долей гипофиза , которая, в свою очередь, регулирует различные эндокринные железы и органы. Высвобождающие гормоны (также называемые рилизинг-факторами) вырабатываются в ядрах гипоталамуса, а затем транспортируются по аксонам либо к срединному возвышению , либо к задней доле гипофиза , где они хранятся и высвобождаются по мере необходимости. [25]
В гипоталамо-аденогипофизарной оси рилизинг-гормоны, также известные как гипофизотропные или гипоталамические гормоны, высвобождаются из срединного возвышения, продолжения гипоталамуса, в гипофизарную портальную систему , которая переносит их в переднюю долю гипофиза, где они оказывают свои регуляторные функции на секрецию аденогипофизарных гормонов. [26] Эти гипофизотропные гормоны стимулируются парвоцеллюлярными нейросекреторными клетками, расположенными в перивентрикулярной области гипоталамуса. После высвобождения в капилляры третьего желудочка гипофизотропные гормоны проходят через так называемую гипоталамо-гипофизарную портальную циркуляцию. Как только они достигают своего места назначения в передней доле гипофиза, эти гормоны связываются со специфическими рецепторами, расположенными на поверхности клеток гипофиза. В зависимости от того, какие клетки активируются посредством этого связывания, гипофиз либо начнет, либо прекратит выделять гормоны в остальную часть кровотока. [27]
Другие гормоны, выделяемые срединным возвышением, включают вазопрессин , окситоцин и нейротензин . [29] [30] [31] [32]
В гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой оси нейрогипофизарные гормоны высвобождаются из задней доли гипофиза, которая фактически является продолжением гипоталамуса, в кровоток.
Также известно, что гормоны гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой оси (ГГН) связаны с определенными кожными заболеваниями и гомеостазом кожи. Существуют доказательства, связывающие гиперактивность гормонов ГГН с кожными заболеваниями, связанными со стрессом, и опухолями кожи. [33]
Гипоталамус координирует множество гормональных и поведенческих циркадных ритмов, сложные паттерны нейроэндокринных выходов, сложные гомеостатические механизмы и важные формы поведения. Поэтому гипоталамус должен реагировать на множество различных сигналов, некоторые из которых генерируются извне, а некоторые — изнутри. Сигнализация дельта-волн, возникающая либо в таламусе, либо в коре, влияет на секрецию рилизинг-гормонов; GHRH и пролактин стимулируются, в то время как TRH ингибируется.
Гипоталамус реагирует на:
Обонятельные стимулы важны для полового размножения и нейроэндокринной функции у многих видов. Например, если беременная мышь подвергается воздействию мочи «чужого» самца в критический период после коитуса, то беременность прерывается ( эффект Брюса ). Таким образом, во время коитуса самка мыши формирует точную «обонятельную память» о своем партнере, которая сохраняется в течение нескольких дней. Феромональные сигналы способствуют синхронизации эструса у многих видов; у женщин синхронизированная менструация также может возникать из-за феромональных сигналов, хотя роль феромонов у людей оспаривается.
Пептидные гормоны оказывают важное влияние на гипоталамус, и для этого они должны пройти через гематоэнцефалический барьер . Гипоталамус частично ограничен специализированными областями мозга, в которых отсутствует эффективный гематоэнцефалический барьер; капиллярный эндотелий в этих местах фенестрирован, чтобы обеспечить свободный проход даже крупных белков и других молекул. Некоторые из этих мест являются местами нейросекреции - нейрогипофиз и срединное возвышение . Однако другие являются местами, в которых мозг отбирает образцы состава крови. Два из этих мест, SFO ( субфорникальный орган ) и OVLT ( сосудистый орган терминальной пластинки ) являются так называемыми циркумвентрикулярными органами , где нейроны находятся в тесном контакте как с кровью, так и с цереброспинальной жидкостью . Эти структуры густо васкуляризированы и содержат осморецепторные и натрий-рецепторные нейроны, которые контролируют питье , высвобождение вазопрессина , выделение натрия и аппетит к натрию. Они также содержат нейроны с рецепторами для ангиотензина , предсердного натрийуретического фактора , эндотелина и релаксина , каждый из которых важен для регуляции баланса жидкости и электролитов. Нейроны в OVLT и SFO проецируются в супраоптическое ядро и паравентрикулярное ядро , а также в преоптические гипоталамические области. Циркумвентрикулярные органы также могут быть местом действия интерлейкинов, вызывающих как лихорадку, так и секрецию АКТГ, посредством воздействия на паравентрикулярные нейроны. [ необходима цитата ]
Неясно, как все пептиды, влияющие на гипоталамическую активность, получают необходимый доступ. В случае пролактина и лептина есть доказательства активного поглощения в сосудистом сплетении из крови в спинномозговую жидкость (СМЖ). Некоторые гормоны гипофиза оказывают отрицательное влияние на гипоталамическую секрецию; например, гормон роста оказывает обратную связь на гипоталамус, но неясно, как он попадает в мозг. Также есть доказательства центрального действия пролактина . [ необходима цитата ]
Результаты исследования показали, что тиреоидный гормон (Т4) поглощается гипоталамическими глиальными клетками в инфундибулярном ядре / срединном возвышении и что здесь он преобразуется в Т3 дейодиназой типа 2 (D2). После этого Т3 транспортируется в нейроны, продуцирующие тиреотропин-рилизинг-гормон ( ТРГ ) в паравентрикулярном ядре . В этих нейронах были обнаружены рецепторы тиреоидных гормонов , что указывает на их чувствительность к стимулам Т3. Кроме того, эти нейроны экспрессировали MCT8 , транспортер тиреоидных гормонов , что подтверждает теорию о том, что Т3 транспортируется в них. Затем Т3 может связываться с рецептором тиреоидного гормона в этих нейронах и влиять на выработку тиреотропин-рилизинг-гормона, тем самым регулируя выработку тиреоидных гормонов. [35]
Гипоталамус функционирует как своего рода термостат для организма. [36] Он устанавливает желаемую температуру тела и стимулирует либо выработку и удержание тепла, чтобы поднять температуру крови до более высокого значения, либо потоотделение и вазодилатацию, чтобы охладить кровь до более низкой температуры. Все лихорадки возникают из-за повышенной настройки в гипоталамусе; повышенная температура тела из-за любой другой причины классифицируется как гипертермия . [36] Редко прямое повреждение гипоталамуса, например, из-за инсульта , может вызвать лихорадку; это иногда называют гипоталамической лихорадкой . Однако чаще такое повреждение вызывает аномально низкую температуру тела. [36]
Гипоталамус содержит нейроны, которые сильно реагируют на стероиды и глюкокортикоиды (стероидные гормоны надпочечников , выделяемые в ответ на АКТГ ). Он также содержит специализированные нейроны, чувствительные к глюкозе (в дугообразном ядре и вентромедиальном гипоталамусе ), которые важны для аппетита . Преоптическая область содержит термочувствительные нейроны; они важны для секреции ТРГ .
Секреция окситоцина в ответ на сосание или вагино-цервикальную стимуляцию опосредуется некоторыми из этих путей; секреция вазопрессина в ответ на сердечно-сосудистые стимулы, возникающие из хеморецепторов в каротидном теле и дуге аорты , а также из рецепторов объема предсердий низкого давления , опосредуется другими. У крысы стимуляция влагалища также вызывает секрецию пролактина , и это приводит к псевдобеременности после бесплодного спаривания. У кролика коитус вызывает рефлекторную овуляцию . У овец стимуляция шейки матки в присутствии высоких уровней эстрогена может вызывать материнское поведение у девственной овцы. Все эти эффекты опосредуются гипоталамусом, и информация передается в основном по спинномозговым путям, которые передаются в ствол мозга. Стимуляция сосков стимулирует высвобождение окситоцина и пролактина и подавляет высвобождение ЛГ и ФСГ .
Сердечно-сосудистые стимулы передаются блуждающим нервом . Блуждающий нерв также передает разнообразную висцеральную информацию, включая, например, сигналы, возникающие при растяжении или опорожнении желудка, для подавления или стимуляции питания, сигнализируя о высвобождении лептина или гастрина соответственно. Опять же, эта информация достигает гипоталамуса через реле в стволе мозга.
Кроме того, гипоталамическая функция реагирует на уровни всех трех классических моноаминовых нейротрансмиттеров , норадреналина , дофамина и серотонина (5-гидрокситриптамина), в тех трактах, от которых она получает иннервацию, и регулируется ими. Например, норадренергические входы, возникающие из голубого пятна, оказывают важное регуляторное воздействие на уровни кортиколиберина (CRH).
Крайняя латеральная часть вентромедиального ядра гипоталамуса отвечает за контроль потребления пищи . Стимуляция этой области вызывает повышенное потребление пищи. Двустороннее поражение этой области вызывает полное прекращение потребления пищи. Медиальные части ядра оказывают контролирующее влияние на латеральную часть. Двустороннее поражение медиальной части вентромедиального ядра вызывает гиперфагию и ожирение животного. Дальнейшее поражение латеральной части вентромедиального ядра у того же животного вызывает полное прекращение потребления пищи.
Существуют различные гипотезы, связанные с этой регуляцией: [38]
Медиальная зона гипоталамуса является частью схемы, которая контролирует мотивированное поведение, например, защитное поведение. [39] Анализы Fos -маркировки показали, что ряд ядер в «колонке поведенческого контроля» играет важную роль в регуляции проявления врожденного и обусловленного защитного поведения. [40]
Воздействие хищника (такого как кошка) вызывает защитное поведение у лабораторных грызунов, даже если животное никогда не подвергалось воздействию кошки. [41] В гипоталамусе это воздействие вызывает увеличение клеток , меченых Fos , в переднем гипоталамическом ядре, дорсомедиальной части вентромедиального ядра и в вентролатеральной части премаммиллярного ядра (PMDvl). [42] Премаммиллярное ядро играет важную роль в выражении защитного поведения по отношению к хищнику, поскольку повреждения в этом ядре отменяют защитное поведение, такое как замирание и бегство. [42] [43] PMD не модулирует защитное поведение в других ситуациях, поскольку повреждения этого ядра оказали минимальное влияние на показатели замирания после шока. [43] PMD имеет важные связи с дорсальным околоводопроводным серым веществом , важной структурой в выражении страха. [44] [45] Кроме того, животные демонстрируют поведение оценки риска для окружающей среды, ранее связанное с кошкой. Анализ клеток, меченых Fos, показал, что PMDvl является наиболее активированной структурой в гипоталамусе, а инактивация мусцимолом до воздействия контекста отменяет защитное поведение. [42] Таким образом, гипоталамус, в основном PMDvl, играет важную роль в выражении врожденного и обусловленного защитного поведения по отношению к хищнику.
Аналогично, гипоталамус играет роль в социальном поражении : ядра в медиальной зоне также мобилизуются во время столкновения с агрессивным конспецифическим особью. У побежденного животного наблюдается повышение уровня Fos в половодиморфных структурах, таких как медиальное преоптическое ядро, вентролатеральная часть вентромедиального ядра и вентральное премаммиллярное ядро. [6] Такие структуры важны для других форм социального поведения, таких как сексуальное и агрессивное поведение. Более того, премаммиллярное ядро также мобилизуется, дорсомедиальная часть, но не вентролатеральная часть. [6] Повреждения в этом ядре отменяют пассивное оборонительное поведение, такое как замирание и поза «на спине». [6]
Недавние исследования поставили под сомнение, ограничивается ли роль латерального гипоталамуса только инициированием и остановкой врожденного поведения, и утверждали, что он узнает о сигналах, связанных с едой. В частности, что он выступает против изучения информации, которая нейтральна или далека от еды. Согласно этой точке зрения, латеральный гипоталамус является «уникальным арбитром обучения, способным изменять поведение в сторону или от важных событий». [46]
В мозге гистамин синтезируется исключительно нейронами с их клеточными телами в туберомаммиллярном ядре (TMN), которое находится в заднем гипоталамусе. У человека имеется приблизительно 64000 гистаминергических нейронов с каждой стороны. Эти клетки проецируются по всему головному и спинному мозгу. Области, которые получают особенно плотные проекции, включают кору головного мозга, гиппокамп, неостриатум, прилежащее ядро, миндалевидное тело и гипоталамус. ... Хотя наиболее охарактеризованной функцией гистаминовой системы в мозге является регуляция сна и возбуждения, гистамин также участвует в обучении и памяти ... Также, по-видимому, гистамин участвует в регуляции питания и энергетического баланса.