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시상 하부시상의 배쪽에 위치해 있으며 제3뇌실 주위와 바닥을 싸는 부분으로, 앞쪽은 시각 교차 바로 앞에서부터 뒤쪽으로는 유두체 높이까지 걸쳐있다. 시상 하부는 변연계에 관련된 핵들 뿐만 아니라 많은 중요한 조절 및 통합중추들을 갖고 있다. 이들 시상하부의 중추들은 말초신경계통, 대뇌 피질과 뇌줄기 및 주변 세포들로부터 끊임없이 정보를 받는다. 시상 하부의 모세 혈관들은 중추신경계통의 다른 부분들보다 더 투과가 잘되므로 순환하는 혈액의 조성 변화에 중요한 반응을 한다. 시상하부는 그물 구성체와 자율 신경계의 중추 및 핵들의 활동을 조절하는 역할을 할 뿐만 아니라 신경계통과 내분비계통 사이를 연결하는 역할도 한다. 대부분의 내분비 기관들은 시상하부의 직접적 또는 간접적 조절하에 있으며, 조절기능의 대부분은 뇌하수체 앞엽 부분의 자극 또는 억제를 통하여 이루어진다.

시상하부의 앞핵은 말초기관을 목표로 하는 호르몬들으 생산한다. 이들 호르몬은 축삭을 따라 이동되어 뇌하수체 후엽에서 순환계통으로 방출된다. 시각교차위핵에서 생산되는 항이뇨호르몬은 신장에서 수분손실을 억제한다. 뇌실옆핵은 옥시토신을 분비하는데, 이 호르몬은 자궁과 젖샘에 있는 평활근의 수축을 자극한다. 시각교차앞구역은 내부의 온도변화에 대한 자율반응을 조절한다. 만약 체온이 떨어지면 시각교차앞구역은 연수에 있는 자율 중추에 정보를 보내어 피부로 가는 혈액 공급을 감소시킨다. 시상하부의 배족오측부에 있는 식욕중추를 자극하면 음식을 먹으려는 욕구가 커진다. 변연계에 속하는 유두체는 핥고 삼키는 반사작용을 조절하며, 포만중추는 식욕중추를 억제하는 역할을 한다. 갈증중추의 자극은 음료수를 찾으려는 의식적인 행동을 하고, 시각교차위핵에서 항이뇨호르몬의 분비를 일으킨다.

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