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자율신경계의 여러 가지 기능을 조절하는 중추가 있고, 그 아래에 있는 뇌하수체와 복잡하게 상호작용하기 때문에 내분비계와 관련이 되어 있다. 시상하부와 뇌하수체는 신경 및 화학적 통로로 연결되어 있다.

시상하부의 신경로는 뇌하수체 후엽을 자극하여 순환계와 생식계의 평활근을 수축시키는 호르몬인 옥시토신과 바소프레신을 분비하도록 한다. 시상하부는 문맥을 통하여 뇌하수체전엽으로 여러 호르몬들을 분비함으로써 성장호르몬, 부신피질자극호르몬, 황체형성호르몬 및 기타 주요한 뇌하수체 산물을 분비하도록 뇌하수체를 자극한다.

내분비계에 미치는 영향 외에도 시상하부는 개인의 체중 증가에 대한 안정적인 '기준점'을 세워놓음으로써 체내 열량섭취와 체중조절에도 영향을 미친다. 또한 시상하부는 외부온도의 변화에 대응하여 체온을 조절하고, 각성상태와 수면을 결정하는 중추를 갖고 있으며 수분의 섭취와 갈증도 조절한다.

시상하부의 질병이나 손상은 뇌하수체기능부전이나 요붕증(diabetes insipidus)의 증상을 나타낸다. 요붕증의 경우, 시상하부에서 만들어지는 항이뇨호르몬(바소프레신 : 신장에서 수분의 재흡수를 촉진하는 호르몬)이 결핍되어서 잦은 배뇨로 체내의 수분이 급격히 줄어들게 된다. 시상하부의 질환은 또한 불면증이나 체온의 비정상적인 변동을 일으킬 수도 있다.