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L'ipotalamo esercita due funzioni differenti, ma strettamente correlate tra di loro: il controllo della produzione degli ormoni, e quindi delle funzioni fisiologiche vegetative, e l'espressione di svariati comportamenti elementari, tra cui alimentazione, aggressione e comportamento sessuale.
L'ipotalamo rappresenta quindi l'interfaccia tra il mondo mentale e quello della fisiologia vegetativa: è il punto nevralgico che nel cervello integra gli stimoli provenienti dai centri superiori (dalla corteccia cerebrale, per esempio) e le informazioni provenienti dagli organi periferici e dal corpo, e traduce questi cambiamenti nelle attività cerebrali in variazioni di parametri fisiologici e nell'esecuzione degli schemi comportamentali innati, legati alla sopravvivenza e alla riproduzione.
L'ipotalamo controlla quindi i ritmi sonno/veglia, la sensazione di fame, di sete, i comportamenti di aggressione/difesa, la temperatura corporea e il comportamento sessuale.
La varietà delle funzioni svolte dall'ipotalamo si riflette nella sua complessità anatomica: nell'esiguo volume che esso occupa sono stipati non meno di una ventina di nuclei distinti.
Ognuno di questi nuclei controlla una funzione diversa. Una piccola regione, per esempio, presiede al comportamento sessuale ed è posta nella sua porzione anteriore. Questa regione costituisce il "collo di bottiglia" attraverso cui devono passare tutti i complessi meccanismi che controllano l'attività sessuale; la sua distruzione impedisce l'accoppiamento, mentre la distruzione di altre regioni può sconvolgere i ritmi sonno/veglia o l'alimentazione.
Inoltre l'ipotalamo controlla la produzione degli ormoni, sia quelli sessuali sia quelli che regolano la fisiologia. L'ipotalamo è strettamente collegato con l'ipofisi, che è in grado di rilasciare ormoni nel circolo sanguigno. Anche il ciclo mestruale femminile è generato a livello dell'ipotalamo, ed è a questo livello che agisce la pillola anticoncezionale.