Важливу роль у регуляції функцій ендокринних залоз відіграє гіпоталамо-гіпофізарна система (мал. 111). Вона має таку будову: 1) система, яка складається із гіпоталамуса і нейрогіпофіза (задньої частки гіпофіза); 2) система, утворена гіпофізотропною зоною гіпоталамуса (міститься в серединному підвищенні), зв'язана з аденогіпофізом (передньою часткою гіпофізу) за допомогою гема-тоневральної контактної зони; 3) система нейроендокринна, відповідальна за утворення нейрорегуляторних пептидів (енкефалінів, ендорфінів, речовини Р та ін.), яким властива гипофізарна активність.
Як свідчить мал. 112, деполяризація нервових закінчень індукує вхід Са2+ у нервове закінчення. Іони кальцію зв'язуються з каль-модуліном, утворюючи комплекс кальцій — кальмодулін, який активізує аденілатциклазу. Внаслідок цього підвищується вміст цАМФ, який активізує протеїнкіназу. цАМФ-залежна протеїнкіназа разом із Са2+ активізує кіназу фосфорилази, відбувається фос-форилювання білків. Це забезпечує злипання мембран везикул із пресинаптичною мембраною і виділення (ексоцитоз) нейросекрету.
Синтез у гіпоталамусі гормонів, зокрема антидіуретичного (вазопресину) і окситоцину, здійснюється в нейронах супраоптичного і паравентрикулярного ядер.
Ці гормони транспортуються у вигляді гранул із клітинних тіл їхніми аксонами, що утворюють гіпоталамо-гіпофізарний тракт лійки, до капілярів нейрогіпофіза, куди виділяються гормони після розпаду гранул. Крім великих неиросекреторних клітин, що виробляють вазопресин, окситоцин, у гіпоталамусі є дрібні нервові клітини, розташовані в гіпофізарній зоні, які продукують гормони, котрі стимулюють або пригнічують вивільнення гормонів аденогіпофізом — так звані рилізинг-гормони, або рилізинг-чинники. Нещодавно запропоновано називати рилізинг-гормони, які сприяють утворенню гормонів аденогіпофізом, ліберинами, а гормони-інгібітори — статинами. За своїм хімічним складом рилізинг-гормони є пептидами. Деякі з них уже синтезовані і їх використовують у терапевтичній практиці. Рилізинг-гормони з гіпофізарної зони гіпоталамуса потрапляють до аденогіпофіза через ворітну систему вен гіпофіза, які несуть кров до капілярного сплетіння аденогіпофіза (мал. 113). На стінках цих судин закінчуються й аксони секреторних нейронів гіпофізарної зони. З капілярних петель рилізинг-гормони потрапляють до своїх клітин-мішеней аденогіпофіза, які виробляють тропні гормони. Вважають, що рилізинг-гормони не лише регулюють виділення тропних гормонів аденогіпофіза, але й стимулюють або пригнічують функцію нейронів у різних відділах головного мозку.
Крім рилізинг-гормонів, у гіпоталамусі синтезуються пептиди, яким властива морфіноподібна дія. Це енкефаліни і ендорфіни. Вони відіграють важливу роль у механізмах болю і знеболення, регуляції поведінки й вегетативних інтегративних процесів.
На функцію ендокринних залоз через гіпоталамус впливають різні структури ЦНС. Так, центральна регуляція гіпоталамо-гіпофізарної системи здійснюється центрами, які локалізуються в преоптичній ділянці, лімбічніи системі, у нейронах стовбура головного мозку (довгастому, середньому і мосту), аж до кори великого мозку. Сигнали від багатьох із перерахованих центрів до ядер гіпоталамуса передаються за допомогою аміноспецифічних систем мозку. В свою чергу реакція центрів розпочинається при певному рівні гормонів периферичних ендокринних залоз і тропних гормонів гіпофіза.