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下丘腦( hypothalamus) 是由僅4cm3的神經組織組成，占全腦的0.3% 。 
下丘腦(虛線表示)位于前連合(AC)和后連合(PC)之間的假想線下方。下丘腦的前邊界為終板(LT)，它延伸于視交叉(OC)和前連合（AC）之間。后界并不精確：由乳突體(MB)和后連合之間的一條線表示。下丘腦底由漏斗柄(IS)、灰結節(TC)和乳頭體組成。乳頭丘腦束（MT），連合后穹窿(PF)。 然而含有整合系統，經過自主神經和內分泌效應系統控制體液及電解質平衡、食物攝入及能量平衡、生殖、體溫凋節、免疫和多種情緒反應。
下丘腦從終板( lamina terminalis) 向后延伸至乳頭體后的垂直平面，以及從下丘腦溝至第三腦室下方的腦底。
它位于丘腦下方， 底丘腦(subthalamus) 蓋部和中腦被蓋( mesencephalic tegmentum ) 的前方，外側以底丘腦前部、內囊和視束為界。
從第三腦室底至中腦腳間窩內軟腦膜表面的結構從前向后依次是：視交叉(optic chiasma) 、灰結節( tuber cinereum) 、正中隆起( median eminence) 、漏斗柄( infundibular stalk ) 、乳頭體( mammillary body) 及后穿質( posterior perfornted substance) 。后穿質位于兩側大腦腳之間，大腦后動脈小的中央支穿行其中。
Handbook of Clinical Neurology Volume 179, 2021, Pages 45-66 Chapter 3 - Anatomy and cytoarchitectonics of the human hypothalamus.后穿質內含有腳間核( interpeduncular nucleus) ，其接受來自兩側的后屈束( fasciculus retroflexus) （ 也稱韁核腳間束）的終末纖維，也有與中腦網狀結構及乳頭體的聯系。
腳間核( interpeduncular nucleus) 
Locate the nucleus (Fig.1): 2) Locate the limits of the nucleus (Fig.1): caudal: ponto-mesencephalic junction, ventral: interpeduncular fossa (IPF), dorsal: superior cerebellar peduncle (rubro-spinal tracts) and its decussation (xscp), lateral: substantia nigra (SN), cranial: unclear limit with the anterior tegmental n. (nTegA), by which it is surrounded.
Speculative neural connectivity of the habenula in the human brain. A schematic of the midsagittal view of the human brain showing the presumptive connectivity of the medial (magenta) and lateral (green) habenula. As information on the neural connectivity of the human habenula is still lacking, the major afferents and efferents shown are with respect to animal studies to estimate their homologues in humans. https:///10.1111/pcn.12892 乳頭體是光滑的半球形、豌豆大小的一對并列隆起，位于后穿質前方。每側的乳頭核被主要來自穹隆的纖維束包繞。
灰結節是位于乳頭體與視交叉之間的圓凸狀灰質團塊。從灰結節正中發出錐形中空的漏斗，向腹側延續于神經垂體。圍繞在漏斗基部的是正中隆起， 以一淺的結節漏斗溝為界。長期以來，下丘腦損傷與廣泛的異乎尋常的內分泌系統綜合征、代謝、內臟功能、運動及情緒失調相關聯。下丘腦與內分泌系統及自主神經系統有重要的相互作用，對大腦皮質接受體內和外界傳入刺激的復雜分析起整合作用。下丘腦通過多種途徑調控內分泌系統：通過大神經分泌細胞投射至神經垂體；通過小神經分泌細胞投射至正中隆起（ 通過控制腺垂體的內分泌輸出，進而影響外周內分泌器官），通過自主神經系統調控內分泌。神經垂體的神經激素、血管加壓素和催產素主要分別參與內環境慘透壓平衡和各種生殖功能的凋控。下丘腦通過對腺垂體的作用影響甲狀腺（ 促甲狀腺素， TSH ) 、腎上腺皮質（促腎上腺皮質激素，ACTH ) 、生殖腺（黃體生成素，LH；促卯泡激素，FSH；催乳素）和乳腺（催乳素），以及影響生長過程和代謝平衡（生長激素， GH) 。下丘腦影響自主神經的副交感神經系統與交感神經系統。通常下丘腦前部受刺激時， 副交感神經作用為主導，而交感神經作用則更多依賴于下丘腦后部。刺激下丘腦前部， 經前腦內側束至腦干及脊髓自主神經中樞的投射，引起出汗和血管舒張（散熱） 。損傷下丘腦前部，如手術治療蝶鞍上延展的垂體瘤，可致體溫不可控地上升。至下丘腦腹內側的投射共同參與攝食調節，在手術冶療下丘腦病變（如顱咽管瘤） 時，損傷這些結構可致過度攝食而引發肥胖。刺激下丘腦后部引起交感神經性的覺醒并伴有血管收縮、豎毛、打戰和增加代謝產熱。
然而，這并不意味著存在與交感神經中樞和副交感中樞的分離。刺激下丘腦多個不同的部位均可引起心率、心排血量、血管運動張力、外周阻力、器官及四肢血流分配、呼吸頻率及深度、消化道的分泌及運動、勃起和射精等較大變化。
下丘腦包含許多神經核，這些核團依據種系發生、發育、細胞構筑、突觸和組織化學而分類命名，然而，仍有許多核團的界線不清楚，尤其是在成年人。下丘腦有少量大的有髓鞘纖維束，但大多數纖維的聯系是彌散而無髓鞘，并且許多傳入、傳出及內部聯系的精確通路尚不確定。
下丘腦從前至后可分為視交叉區（視上區）（ chiasmatic region ) 、結節區（漏斗—結節區） （ tuberaI or infundibulotuberal region ) 和后區（ 乳頭體區） ( posterior or mammillary region ) ；從內至外可分為室周帶( periventricular zone) 、中間帶（ 內側帶） ( intermediate or medial zone) 和外側帶( lateral zone) 。
在中間帶和外側帶之間是旁正中平面， 含有穹隆柱、乳頭丘腦束及后屈束的有髓纖維，因此，有些學者將室周帶和中間帶合稱單一的內側帶。這種分類是基于功能系統人為劃分的。第三腦室的前壁是終板血管器(vascular organ of the lamina terminalis, VOLT ) 、背側續正中視前核( median preoptic nucleus) 及穹隆下器(subfornical organ ) 。視交叉區的兩側為視前核的一部分， 小的視交叉上核及室周神經元在室旁核內側混合。在結節區， 室周細胞群圍繞第三腦室基底部延伸形成弓狀核覆蓋正中隆起。在后區，狹窄的室周帶向外側續于下丘腦后側區，向后與中腦導水管周圍灰質相延續。室周帶內還含有一明顯的室周纖維系。
視交叉上核(suprachiasmatic nucleus) 雖然僅含有幾千個神經元， 卻是一引人注目的結構。在哺乳類有時被稱為主晝夜節律起搏器，是運動活動、體溫、多種激素的血漿濃度、腎上腺分泌、睡眠與覺醒以及其他生理變化晝夜節律的神經基礎。
視交叉上核有2 個主要部分，即腹外側部和背內側部。視網膜纖維終止于視交叉上核腹外側部，其特征是神經元呈血管活性腸多肽(asoactive intestinal polypeptide) 免疫反應陽性。這是一般的傳入區，亦接受來自中腦中縫核及部分丘腦外側膝狀體核的纖維傳入。視交叉上核背內側部有相對稀疏的傳入纖維支配，其特征是含有精氨酸加壓素( arginine vasopressin ) 免疫反應陽性的小細胞神經元。直接接受來自視網膜傳入的視交又上核神經元對圖案、運動或顏色并不起反應，而是具有亮度探測器的作用，對光的出現與消失起反應，它們的放電頻率與光強度成正比，因此與明暗周期相同步。視交叉上核接受視網膜神經節細胞的谷氨酸能傳入纖維，產生明暗周期節律，但這并不是產生該節律的必需，因為盲人也存在這種節律。視交叉上核內有多種神經遞質，如血管加壓素、血管活性腸多肽、神經肽Y 和神經降壓肽。起自視交叉上核的軸突傳至多個其他下丘腦核， 包括室旁核、腹內側核、背內側核及弓狀核。產生生長激素釋放激素( growth horrnone-releasing hormone,GHRH ) 的神經元主要局限于弓狀核，有些神經元向背側伸入室周核，向外側伸入視交叉后區。它們的纖維行經室周區至正中隆起的神經血管區。這些神經元接受來自腹內側核中葡萄糖受體的信息傳入。來自海馬—杏仁核—隔核復合體的纖維傳入，可以解釋在應激狀態生長激素的釋放。在人類， 中線缺陷，如隔核—視束發育不良， 常伴有生長激素分泌缺陷。多巴胺具有刺激效應，引起生長激素釋放。產生生長抑素(somalostatin ) 的神經元位于室周核。GHRH 與生長抑素分泌呈間歇性(3 ~5 小時）交互脈沖，但此脈沖的起源仍不清楚。慢波睡眠發生時會出現一個生長激素分泌的高峰。此外，生長抑素還可抑制垂體釋放甲狀腺釋放激素。產生促性腺激素釋放激素(gonadotrophin-releasing hormone ， GnRH ) 的神經元位于室周核及弓狀核， 發出纖維投射至正中隆起。其他的GnRH 神經元位于正中視前區，但這些神經元似乎投射至終板血管器。黃體生成索和卵泡刺激素由GnRH 刺激，腺垂體以每小時間歇脈沖方式分泌，并且受中樞的單胺類、γ－氨基丁酸的影響，受雌激素和孕激素經其他神經元的間接影響，受腎上腺皮質激素釋放因子和內源性阿片的影響。產生促性腺激素抑制激素(Gonadolrophin-inhibiloryhormone, GnIH ) 的神經元位于下丘腦背內側區，其纖維投射至正中隆起。GnIH 通過降低GnRH 神經元的活性及直接作用垂體促性腺細胞而抑制促性腺激素的合成與釋放。促腎上腺皮質激素釋放激素( Corticotrophin-releas inghormone, CRH ) 主要由室周核小細胞神經元產生， 這些神經元受神經性（ 邊緣系統輸入） 和低血糖（腹內側核） 的應激刺激，同時還受皮質醇的負反饋調控。產生促甲狀腺激索釋放激素( Thyrotrophin-releasing hormone, TRH ) 的神經元較廣泛地分布于室周核、腹內側核和背內側核。TRH 的釋放受下丘腦前部感受中心溫度的影響，同時受甲狀腺素的負反饋影響。TRH 刺激垂體釋放TSH , 也興奮視前區冷敏神經元，抑制溫敏神經元。其他結節—漏斗弓狀核神經元含有神經肽Y (NPY ) 和神經降壓肽。含促阿片黑色素皮質肽( pro-opiomelan ocortinpeptide) 的弓狀核神經元投射至室周核，而不是正中隆起。除了這些肽類神經元，弓狀核內的多巴胺能神經元( A12群） 的終末終止在正中隆起和漏斗。多巴胺( dopamine)是主要的催乳素釋放抑制激素，還抑制促甲狀腺素( thyroid stimulating hormone, TSH ) 的分泌（ 同樣，TSH也起催乳素釋放激素作用） 。在正中隆起內也發現去甲腎上腺素能神經元的終末，在此它們可能主要起旁分泌作用。
下丘腦中間帶含有高度分化的核團，它們是室旁核、視上核、“ 中間”核（表現雌雌二態性）、腹內側核、背內側核、乳頭體核及結節乳頭體核。大細胞神經分泌神經元位于視上核、室旁核，以及核之間的孤立細胞簇內。視上核(supraoptic nucleus) 弓形跨過視交叉( opticchiasma) 外側部的上方，包含一群形態相似的大神經元。在視交叉后方，腦底的一薄層細胞形成視交叉后部(retrochiasmatic part ) 。視上核神經元合成血管加壓素，其纖維全部投射至神經垂體( neurohypophysis) 。大細胞血管加壓素神經元探測少至1%的血液滲透壓增加，并刺激神經垂體釋放血管加壓素。血容量或血壓下降超過5%～ l0％ 刺激血管加壓素釋放以及口渴而飲水。此反應是經大靜脈及心房壁內的容量感受器和頸動脈竇的壓力感受器調節，并通過迷走神經和舌咽神經傳導至孤束核，隨后傳導至大細胞核。血管加壓素生成的生物化學缺陷或視上垂體傳導通路的阻斷（如頭部外傷引起）引起腦源性尿崩癥。
室旁核( paraventricular nucleus) 從下丘腦溝向下后延伸，經過穹隆柱內側面，其腹外側角伸至視上核。室旁核神經元多樣化。投射至神經垂體的大細胞神經元位于外側，投射至正中隆起和漏斗的小細胞神經元位于較內側，可能向尾側投射的中等大小的神經元位于后部。室旁核大細胞神經元的軸突走向視上核（室旁垂體束， paraventriculo-hypophysiel tract ) ，在此處加入視上核神經元的軸突形成視上垂體束(supraopticcohypophysiel tract ) 。視上垂體束向下入漏斗淺層并進入垂體神經葉，在神經垂體這些軸突擴大并圍繞毛細血管反復分支。血管加壓素和催產素由不同的神經元產生。血管加壓素神經元在室旁核的腹外側部成簇，而催產素神經元位于它們的周圍。下丘腦對控制垂體催產素、促性腺激素、催乳素的分泌是重要的。催產素是由神經垂體分泌神經末梢所釋放，它引起子宮及圍繞乳腺小泡的肌上皮細胞收縮。兩種神經內分泌反射參與此過程：分娩過程中子宮頸的擴張信號刺激一條多突觸傳入通路，此通路經盆叢、脊髓前外側柱、腦干到達大細胞催產素神經元( Ferguson 反射） 。該反射是正反饋機制，胎兒娩出即終止。乳汁排出反射由吸吮乳頭引發，吸吮激活肋間神經傳入下丘腦。該反射可因嬰兒啼哭而加強，因精神緊張而抑制。在灰結節水平腹內側核的界線明確，周圍有一少神經元區，但與其上方的背內側核卻不易區分。腹內側核含有能接受血漿葡萄糖及其他營養物質水平的神經元，并經孤束核接收內臟軀體傳入。下丘腦外側區接受嗅覺傳入，嗅覺傳入起重要的食物信號作用。兩者均接受來自邊緣系統結構的廣泛傳入。刺激與損毀實驗，結合人類病例研究提示腹內側核起＂飽食中樞(satiety centre)” 的作用。
雙側腹內側核受損促使過度攝食（食欲過盛） ，限制飲食可引起暴怒樣( rage-like) 發作。結果發生肥胖常與性功能低下并存（ Frohlich 綜合征） 。有趣的是嬰兒腹內側核損傷，盡管給予正常攝食仍導致消瘦。實驗性損毀下丘腦外側區可引起厭食或吞咽不能，而刺激該區能延長攝食時間，支持下丘腦外側區的＂攝食中樞(feeding centre ) "概念。
腹內側核、下丘腦外側區、室旁核也通過自主神經及內分泌系統影響中間代謝。這佐證了下丘腦對攝食行為的影響。因此，腹內側核受刺激有利于胰高血糖素釋放，加速肝糖原分解、糖異生及脂肪分解， 而刺激下丘腦外側區則引起胰島素釋放及相反的代謝效應。損毀腹內側核可引起迷走神經活動增強，而交感神經活動減弱。乳頭體內側核( medial mammillary nucleus) 形成乳頭體大部的凸起。盡管在乳頭體內側核外側緣有一群清晰分界的大細胞，但乳頭體外側核的組成仍存有爭議。此核外側是結節乳頭體核，其發出廣泛分布的軸突，彌散支配整個大腦皮質、下丘腦及腦干。下丘腦外側帶是從視前核經過下丘腦外側區到下丘腦后區所形成的連接帶。在結節區，結節外側核大而界線清楚并被細纖維包繞。下丘腦具有與身體其他部位傳入及傳出的聯系，可經2 條（ 也可能3 條）截然不同的途徑：神經聯系、血流聯系，可能也包括腦脊液聯系。
一些下丘腦神經元有特殊感受器，感受溫度、滲透壓、葡萄糖、游離脂肪酸及血液激素含量。
神經分泌神經元分泌神經激素進入血液，從而控制腺垂體、作用其他器官， 如腎、乳房、子宮和血管。某些神經聯系，尤其那些到乳頭體的纖維，形成分散的有髓神經束，但大多數是彌散的無髓纖維，而且其起源與終止尚不肯定。大多數通路是多突觸的，下丘腦神經元的大多數突觸源于下丘腦中間神經元。概括地說，下丘腦神經傳入來源于上行內臟與軀體感覺系統、視覺及嗅覺系統以及大量來自腦干、丘腦、“邊緣”結構和新皮質的神經束。傳出神經投射對大多數傳入來說是交互投射，特別是它們影響和控制周圍自主神經的中樞。因此，下丘腦是通過自主神經系統、內分泌系統及其與端腦的聯系起調控作用。
Overview of the major efferent pathways from the hypothalamus. (A) Connections with the limbic cortex, brainstem, thalamus and septum. A = anterior hypothalamic nucleus; ac = anterior commissure; cc = corpus callosum; CGRF = central grey – reticular formation; Dm = dorsomedial nucleus; dnmt = dorsal nucleus of the mesencephalic tegmentum; E-Wn = nucleus of Edinger-Wepstal; fb = medial forebrain bundle; ep = epithalamus; fld = fasciculus longitudinalis dorsalis (fasciculus of Schutz); fr = fasciculus retroflexus; ha = habenula; HYP = hypothalamus; htt = habenulo-tectal tract; ilm = intermediate-lateral column of the spinal cord; inf = infundibular or arcuate nucleus; mb = mammillary body; MES = mesencephalon; mfb = medial forebrain bundle; MO = medulla oblongata; mteg = mammillo-tegmental tract; mp = mammillary peduncle; mtt = mammillo-thalamic tract; nts = nucleus tractus solitarius; optec = optic tectum; Po = preoptic area; PP = posterior nuclues; Pv = paraventricular nucleus; pvs = periventricular systems; sm = stria medullaris; so = supraoptic nucleus; RF = reticular formation; rn = red nucleus; tec-spt = tectospinal tract; TS = thoracic spine; Vm = ventromedial nucleus. (From Toni R, Malaguti A, Benfenati F, Martini L: The human hypothalamus: a morphofunctional perspective. J Endocrinol Invest 27 (supp to n.6), 73-94, 2004.)
下丘腦通過脊髓、腦干接受來自內臟、味覺及軀體感覺的信息。它接受大量來自孤束核的多突觸投射，可能是直接投射，也可能是間接經臂旁核( parabrachial nucleus) 及延髓去甲腎上腺素能細胞群（腹側去甲腎上腺素能束） 的投射；接受丘系軀體感覺傳入的側支（至下丘腦外側部）的投射；還接受來自縱行網狀結構的投射。大多數傳入是經前腦內側束( medial forebra in bundle) 和室周纖維系，而其他的在中腦被蓋會聚形成乳頭腳( mammillary peduncle) 到達乳頭體。前腦傳入下丘腦的纖維主要來自邊緣系統，包括海馬結構、杏仁體及隔，亦來自梨狀葉及周圍的新皮質。這些聯系都是往返的，形成明顯的纖維系：即穹隆( fornix) 、終紋(striaterminalis) 及腹側離杏仁體束(ventral amygdalofugal tract ) 。海馬結構，尤其是下托(stibiculum ) 和CAI 區通過穹隆與下丘腦有往返聯系，穹隆是一個含有聯合纖維的復合束。
穹隆向腹側彎曲達前連合時， 有來自扣帶回、胼胝體上回及隔區纖維的加入。然后穹隆分開并圍繞前連合形成前連合前部與前連合后部。連合前穹隆分布至隔及下丘腦視前區，隔區依次發出許多纖維至下丘腦。連合后穹隆從腹側向后經過下丘腦到乳頭體內側核，在其行程中其發出許多纖維至下丘腦內側核及外側核。杏仁體支配位于乳頭體前方的大多數下丘腦核。其皮質內側核支配視前區、下丘腦前區及腹內側核；其中央核投射至下丘腦外側區。杏仁體至下丘腦的投射有兩條通路：較短的杏仁體腹側通路內側越過視束，在豆狀核下面到達下丘腦。長而彎曲的終紋與穹隆平行走行，側腦室將其與穹隆分割，途經終紋床核(bed nucleus of the stria tenninalis) ，經前腦內側束分布于下丘腦前區。
杏仁體主要通路 嗅覺傳入主要經伏隔核及隔核到達下丘腦，大多數終止于下丘腦外側區。
盡管有聽覺刺激影響下丘腦，但未證實聽覺有與下丘腦的聯系。然而，許多下丘腦神經元對復合感覺刺激起應答反應，提示到達新皮質的感覺信息已會聚并已被杏仁體、海馬及新皮質處理。至下丘腦的新皮質源的皮質下丘腦傳入鮮有證實，可能來自額葉及島葉皮質。某些纖維經丘腦內側背核中繼，經室周通路投射至下丘腦，其他直接皮質下丘腦纖維可能終止于乳頭體外側核、乳頭體背內側核及下丘腦后核，但所有的這些聯系尚存爭議。像前腦其余部分，下丘腦亦接受來自藍斑( locus coeruleus) 及中縫核彌散的胺能神經元傳入。此外，它還接受來自腹側被蓋上行膽堿能通路的膽堿能傳入；接受來自腹側被蓋去甲腎上腺素能束的傳入， 終止于下丘腦背內側核、室周核、室旁核、視上核及下丘腦外側核；接受來自中腦多巴胺能系統的多巴胺纖維。A11 群神經元支配下丘腦內側核， A13群及A14群支配下丘腦背側核及嘴側核，這些纖維大多行于前腦內側束內。前腦內側束是一條縱行穿過下丘腦外側區的疏松纖維束，將前腦自主神經及邊緣結構與下丘腦及腦干聯系起來，在整個行程中接受和發出小的纖維束。前腦內側束含有來自隔區及眶額葉皮質的下行性下丘腦傳入纖維，來自腦干的上行傳入纖維，以及下丘腦的傳出纖維。下丘腦的傳出聯系包括與邊緣系統的往返聯系，至自主神經元與軀體運動神經元的下行多突觸徑路，以及與垂體的神經及神經血管傳出聯系。視前內側區及下丘腦前區發出短投射至鄰近的下丘腦核團。下丘腦腹內側核發出經前腦內側束至終紋床核、Meynert 基底核、杏仁核、中央核及中腦網狀結構的廣泛投射。有些結節核及下丘腦后外側區神經元直接投射至整個新皮質， 這種投射似乎對維持皮質覺醒很重要，但其投射的局部定位不清楚。投射至自主運動神經元的下丘腦神經元位于室旁核（ 催產素與血管加壓素神經元），穹隆周核及背內側核（心房鈉尿肽神經元），下丘腦外側區( α-MSH 神經元）及未定帶（多巴胺神經元） 。這些纖維經前腦內側束入被蓋區、延髓腹外側區及脊髓背外側索。在腦干，這些纖維支配臂旁核、疑核、孤束核及迷走神經背核。在脊髓，這些纖維終止于中間外側柱的交感及副交感節前神經元。催產素纖維和血管加壓素纖維均可追蹤到脊髓最尾側的自主神經元。
乳頭體內側核發出一支大的上行纖維束，其分支為乳頭丘腦束與乳頭被蓋束( mammillotegmental tract ) ，乳頭丘腦束經下丘腦外側區上行至丘腦前核，由此大束放射狀投射至扣帶回。乳頭被蓋束向下彎曲進入中腦腹側至內側縱束，分布至被蓋網狀核。參考書籍：Grays Anatomy, 41st Edition
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