Гипоталамус ( мн.ч.: гипоталами ; от древнегреческого ὑπό ( hupó ) «под» и θάλαμος ( thálamos ) « кровать ») — небольшая часть мозга , содержащая ряд ядер с разнообразными функциями. Одной из наиболее важных функций является связь нервной системы с эндокринной системой через гипофиз . Гипоталамус расположен ниже таламуса и является частью лимбической системы . [1] Он образует вентральную часть промежуточного мозга . Мозг всех позвоночных содержит гипоталамус. [2] У человека он размером с миндаль .
Гипоталамус отвечает за регулирование некоторых метаболических процессов и других видов деятельности вегетативной нервной системы . Он синтезирует и секретирует определенные нейрогормоны , называемые рилизинг-гормонами или гормонами гипоталамуса, а они, в свою очередь, стимулируют или ингибируют секрецию гормонов гипофиза. Гипоталамус контролирует температуру тела , голод , важные аспекты поведения родителей и материнской привязанности , жажду , [3] усталость , сон , циркадные ритмы и играет важную роль в определенном социальном поведении, таком как сексуальное и агрессивное поведение. [4] [5]
Гипоталамус разделен на три отдела (супраоптический, туберальный, маммиллярный) в парасагиттальной плоскости, что указывает на передне-заднее расположение; и три области (перивентрикулярная, медиальная, латеральная) в корональной плоскости, что указывает на медиально-латеральное расположение. Ядра гипоталамуса расположены внутри этих конкретных областей и областей. [6] Он обнаружен во всех нервных системах позвоночных. У млекопитающих крупноклеточные нейросекреторные клетки паравентрикулярного ядра и супраоптического ядра гипоталамуса продуцируют нейрогипофизарные гормоны окситоцин и вазопрессин . [7] Эти гормоны выделяются в кровь задней доли гипофиза . [8] Гораздо меньшие парвоцеллюлярные нейросекреторные клетки , нейроны паравентрикулярного ядра, выделяют кортикотропин-рилизинг гормон и другие гормоны в гипофизарную портальную систему , где эти гормоны диффундируют в переднюю долю гипофиза . [ нужна цитата ]
К ядрам гипоталамуса относятся следующие: [9] [10] [11]
Гипоталамус тесно связан с другими отделами ЦНС , 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 с областями автономной нервной системы .
Гипоталамус получает множество сигналов от ствола мозга , наиболее заметные из которых — от ядра одиночного тракта , голубого пятна и вентролатерального продолговатого мозга .
Большинство нервных волокон в гипоталамусе идут двумя путями (двунаправленными).
Некоторые ядра гипоталамуса имеют половой диморфизм ; т.е. существуют явные различия как в структуре, так и в функциях между мужчинами и женщинами. [16] Некоторые различия очевидны даже в грубой нейроанатомии: наиболее заметным является сексуально диморфное ядро в преоптической области , [16] в котором различия заключаются в тонких изменениях в связях и химической чувствительности определенных наборов нейронов. О важности этих изменений можно судить по функциональным различиям между мужчинами и женщинами. Например, самцы большинства видов предпочитают запах и внешний вид самок самцам, что играет важную роль в стимулировании сексуального поведения самцов. При поражении полового диморфного ядра это предпочтение самцов самок уменьшается. Кроме того, характер секреции гормона роста является половым диморфизмом; [17] Вот почему у многих видов взрослые самцы заметно отличаются по размеру от самок.
Другие поразительные функциональные диморфизмы заключаются в поведенческих реакциях на стероиды яичников взрослых. Мужчины и женщины по-разному реагируют на стероиды яичников, отчасти потому, что экспрессия эстроген-чувствительных нейронов в гипоталамусе имеет половой диморфизм; т.е. рецепторы эстрогена экспрессируются в разных наборах нейронов. [ нужна цитата ]
Эстроген и прогестерон могут влиять на экспрессию генов в определенных нейронах или вызывать изменения потенциала клеточной мембраны и активации киназы , что приводит к разнообразным негеномным клеточным функциям. Эстроген и прогестерон связываются с родственными им ядерными рецепторами гормонов , которые перемещаются в ядро клетки и взаимодействуют с областями ДНК, известными как элементы гормонального ответа (HRE), или привязываются к месту связывания другого фактора транскрипции . Было показано, что рецептор эстрогена (ER) таким образом трансактивирует другие факторы транскрипции, несмотря на отсутствие элемента ответа на эстроген (ERE) в проксимальной промоторной области гена. В целом, ER и рецепторы прогестерона (PR) являются активаторами генов с увеличением мРНК и последующим синтезом белка после воздействия гормонов. [ нужна цитата ]
Мозг мужчин и женщин различается по распределению рецепторов эстрогена, и эта разница является необратимым последствием неонатального воздействия стероидов. [ нужна цитация ] Рецепторы эстрогена (и рецепторы прогестерона) обнаруживаются в основном в нейронах переднего и медиобазального гипоталамуса, а именно:
В неонатальном периоде гонадные стероиды влияют на развитие нейроэндокринного гипоталамуса. Например, они определяют способность женщин проявлять нормальный репродуктивный цикл, а мужчин и женщин — демонстрировать соответствующее репродуктивное поведение во взрослой жизни.
У приматов влияние андрогенов на развитие менее ясно, а последствия менее понятны. В мозге тестостерон ароматизируется (до эстрадиола ), который является основным активным гормоном, влияющим на развитие. Человеческие яички секретируют высокие уровни тестостерона примерно с 8-й недели внутриутробной жизни до 5–6 месяцев после рождения (аналогичный перинатальный всплеск тестостерона наблюдается у многих видов), и этот процесс, по-видимому, лежит в основе мужского фенотипа. Эстроген из кровотока матери относительно неэффективен, отчасти из-за высоких уровней циркулирующих стероидсвязывающих белков во время беременности. [20]
Половые стероиды — не единственное важное влияние на развитие гипоталамуса; в частности, препубертатный стресс в раннем возрасте (крыс) определяет способность гипоталамуса взрослого человека реагировать на острый стрессор. [21] В отличие от рецепторов гонадных стероидов, рецепторы глюкокортикоидов очень широко распространены по всему мозгу; в паравентрикулярном ядре они опосредуют контроль синтеза и секреции CRF по отрицательной обратной связи , но в других местах их роль недостаточно изучена.
Гипоталамус выполняет центральную нейроэндокринную функцию, в первую очередь за счет контроля над передней долей гипофиза , которая, в свою очередь, регулирует работу различных эндокринных желез и органов. Рилизинг-гормоны (также называемые рилизинг-факторами) производятся в ядрах гипоталамуса, а затем транспортируются по аксонам либо к срединному возвышению , либо к задней доле гипофиза , где они сохраняются и высвобождаются по мере необходимости. [22]
В гипоталамо-аденогипофизарной оси рилизинг-гормоны, также известные как гипофизиотропные или гипоталамические гормоны, высвобождаются из срединного возвышения, продолжения гипоталамуса, в гипофизарную портальную систему , которая переносит их в переднюю долю гипофиза, где они выполняют свои регуляторные функции. на секрецию аденогипофизарных гормонов. [23] Эти гипофизиотропные гормоны стимулируются парвоцеллюлярными нейросекреторными клетками, расположенными в перивентрикулярной области гипоталамуса. После выхода в капилляры третьего желудочка гипофизиотропные гормоны проходят так называемый гипоталамо-гипофизарный портальный кровоток. Достигнув пункта 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 секретировать, либо прекратит секретировать гормоны в остальную часть кровотока. [24]
Другие гормоны, секретируемые срединным возвышением, включают вазопрессин , окситоцин и нейротензин . [26] [27] [28] [29]
В гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой оси нейрогипофизарные гормоны высвобождаются из задней доли гипофиза, которая фактически является продолжением гипоталамуса, в кровообращение.
Также известно, что гормоны гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы (HPA) связаны с некоторыми кожными заболеваниями и гомеостазом кожи. Имеются данные, связывающие гиперактивность гормонов HPA с кожными заболеваниями и опухолями кожи, связанными со стрессом. [30]
Гипоталамус координирует многие гормональные и поведенческие циркадные ритмы, сложные модели нейроэндокринных реакций, сложные гомеостатические механизмы и важные модели поведения. Поэтому гипоталамус должен реагировать на множество различных сигналов, некоторые из которых генерируются снаружи, а некоторые — внутри. Передача сигналов дельта-волн , возникающая либо в таламусе, либо в коре головного мозга, влияет на секрецию рилизинг-гормонов; GHRH и пролактин стимулируются, а 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 полового акта, беременность прерывается ( эффект Брюса ). Таким образом, во время коитуса у самки мыши формируется точная «обонятельная память» о партнере, которая сохраняется в течение нескольких дней. Феромональные сигналы помогают синхронизировать эструс у многих видов; у женщин синхронизация менструаций также может быть вызвана феромонными сигналами, хотя роль феромонов в организме человека оспаривается.
Пептидные гормоны оказывают важное влияние на гипоталамус, и для этого они должны пройти через гематоэнцефалический барьер . Гипоталамус частично ограничен специализированными областями мозга, у которых отсутствует эффективный гематоэнцефалический барьер; эндотелий капилляров в этих местах фенестрирован, что обеспечивает свободное прохождение даже крупных белков и других молекул . Некоторые из этих участков являются местами нейросекреции — нейрогипофиз и срединное возвышение . Однако есть и другие места, из которых мозг производит анализ состава крови. Два из этих участков, 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 спинномозговой жидкостью . Эти структуры густо васкуляризированы и содержат осморецепторные и натрий-рецепторные нейроны, которые контролируют питье , высвобождение вазопрессина , экскрецию натрия и аппетит к натрию. Они также содержат нейроны с рецепторами ангиотензина , предсердного натрийуретического фактора , эндотелина и релаксина , каждый из которых важен для регуляции баланса жидкости и электролитов. Нейроны OVLT и SFO проецируются в супраоптическое ядро и паравентрикулярное ядро , а также в преоптические области гипоталамуса. Околожелудочковые органы также могут быть местом действия интерлейкинов , вызывающих как лихорадку, так и секрецию АКТГ посредством воздействия на паравентрикулярные нейроны. [ нужна цитата ]
Неясно, как все пептиды, влияющие на активность гипоталамуса, получают необходимый доступ. В случае пролактина и лептина имеются данные об активном поступлении в сосудистом сплетении из крови в спинномозговую жидкость (СМЖ). Некоторые гормоны гипофиза оказывают отрицательное влияние на секрецию гипоталамуса; например, гормон роста воздействует обратно на гипоталамус, но неясно, как он попадает в мозг. Имеются также доказательства центрального действия пролактина . [ нужна цитата ]
Результаты показали, что гормон щитовидной железы (Т4) поглощается глиальными клетками гипоталамуса в воронкообразном ядре / срединном возвышении и что здесь он преобразуется в Т3 с помощью дейодиназы 2 типа (D2). После этого Т3 транспортируется в нейроны , продуцирующие тиреотропин-рилизинг-гормон ( ТРГ ) , в паравентрикулярном ядре . В этих нейронах были обнаружены рецепторы гормонов щитовидной железы , что указывает на их чувствительность к стимулам Т3. Кроме того, эти нейроны экспрессируют MCT8 , переносчик гормонов щитовидной железы , что подтверждает теорию о транспортировке Т3 в них. Затем Т3 может связываться с рецептором гормона щитовидной железы в этих нейронах и влиять на выработку тиреотропин-рилизинг гормона, тем самым регулируя выработку гормона щитовидной железы. [32]
Гипоталамус функционирует как своего рода термостат для организма. [33] Он устанавливает желаемую температуру тела и стимулирует либо выработку и удержание тепла, чтобы поднять температуру крови до более высокого уровня, либо потоотделение и расширение сосудов , чтобы охладить кровь до более низкой температуры. Все лихорадки возникают в результате повышения температуры в гипоталамусе; Повышенная температура тела по любой другой причине классифицируется как гипертермия . [33] В редких случаях прямое повреждение гипоталамуса, например, в результате инсульта , может вызвать лихорадку; иногда это называют гипоталамической лихорадкой . Однако чаще всего такие повреждения вызывают аномально низкую температуру тела. [33]
Гипоталамус содержит нейроны, которые сильно реагируют на стероиды и глюкокортикоиды (стероидные гормоны надпочечников , вырабатываемые в ответ на АКТГ ). Он также содержит специализированные чувствительные к глюкозе нейроны (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 груди или вагинально-цервикальную стимуляцию опосредована некоторыми из этих путей; Секреция вазопрессина в ответ на сердечно-сосудистые стимулы, возникающие от хеморецепторов в теле сонной артерии и дуге аорты , а также от рецепторов объема предсердий низкого давления , опосредуется другими. У крыс стимуляция влагалища также вызывает секрецию пролактина , что приводит к ложной беременности после бесплодного спаривания. У кроликов коитус вызывает рефлекторную овуляцию . У овец стимуляция шейки матки в присутствии высоких уровней эстрогена может вызвать материнское поведение у девственной овцы. Все эти эффекты опосредованы гипоталамусом, а информация передается в основном по спинномозговым путям, которые передаются в ствол мозга. Стимуляция сосков стимулирует выброс окситоцина и пролактина и подавляет высвобождение ЛГ и ФСГ .
Сердечно-сосудистые стимулы передаются блуждающим нервом . Блуждающий нерв также передает различную висцеральную информацию, включая, например, сигналы, возникающие в результате растяжения или опорожнения желудка, для подавления или стимулирования питания, сигнализируя о высвобождении лептина или гастрина соответственно. И снова эта информация достигает гипоталамуса через реле в стволе мозга.
Кроме того, функция гипоталамуса реагирует и регулируется уровнями всех трех классических моноаминовых нейротрансмиттеров : норадреналина , дофамина и серотонина (5-гидрокситриптамина) в тех путях, от которых он получает иннервацию. Например, норадренергические воздействия, возникающие из голубого пятна, оказывают важные регуляторные эффекты на уровни кортикотропин-рилизинг-гормона (CRH).
Крайняя латеральная часть вентромедиального ядра гипоталамуса отвечает за контроль приема пищи . Стимуляция этой области приводит к увеличению потребления пищи. Двустороннее поражение этой области вызывает полное прекращение приема 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 приводит к полному прекращению приема пищи.
Существуют различные гипотезы, связанные с этим регулированием: [35]
Медиальная зона гипоталамуса является частью схемы, контролирующей мотивированное поведение, например защитное поведение. [36] Анализ Fos -маркировки показал, что ряд ядер в «столбце поведенческого контроля» важен в регуляции выражения врожденного и обусловленного защитного поведения. [37]
Контакт с хищником (например, кошкой) вызывает защитное поведение у лабораторных грызунов, даже если животное никогда не контактировало с кошкой. [38] В гипоталамусе это воздействие вызывает увеличение количества меченных Fos клеток в переднем гипоталамическом ядре, дорсомедиальной части вентромедиального ядра и в вентролатеральной части премаммилярного ядра (PMDvl). [39] Премаммилярное ядро играет важную роль в выражении защитного поведения по отношению к хищнику, поскольку повреждения этого ядра отменяют защитное поведение, такое как замирание и бегство. [39] [40] PMD не модулирует защитное поведение в других ситуациях, поскольку поражения этого ядра оказывают минимальное влияние на показатели постшокового замораживания. [40] PMD имеет важные связи с дорсальным околоводопроводным серым цветом , важной структурой выражения страха. [41] [42] Кроме того, животные демонстрируют поведение, связанное с оценкой риска для окружающей среды, ранее связанное с кошкой. Анализ клеток, меченных Fos, показал, что PMDvl является наиболее активируемой структурой в гипоталамусе, а инактивация мусцимолом до воздействия контекста отменяет защитное поведение. [39] Таким образом, гипоталамус, главным образом 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 встречи с агрессивным сородичем. У побежденного животного наблюдается повышение уровня Fos в половодиморфных структурах, таких как медиальное преоптическое ядро, вентролатеральная часть вентромедиального ядра и вентральное премаммилярное ядро. [5] Такие структуры важны и для других видов социального поведения, таких как сексуальное и агрессивное поведение. Более того, мобилизуется и премаммилярное ядро — дорсомедиальная часть, но не вентролатеральная часть. [5] Поражения в этом ядре отменяют пассивное защитное поведение, такое как замирание и поза «на спине». [5]
В головном мозге гистамин синтезируется исключительно нейронами, тела которых находятся в туберомаммиллярном ядре (TMN), расположенном в заднем гипоталамусе. У человека на каждой стороне имеется около 64 000 гистаминергических нейронов. 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 изученной функцией гистаминовой системы головного мозга является регуляция сна и пробуждения, гистамин также участвует в обучении и памяти ... Также оказывается, что гистамин участвует в регуляции питания и энергетического баланса.