神經垂體與下丘腦直接相連，因此兩者是結構和功能的統一體。神經垂體主要由無髓神經纖維和神經膠質細胞組成，并含有較豐富的竇狀毛細血管和少量網狀纖維。下丘腦前區的兩個神經核團稱視上核和室旁核，核團內含有大型神經內分泌細胞，其軸突經漏斗直抵神經部，是神經部無髓神經纖維的主要來源。

視上核和室旁核的大型神經內分泌細胞除具有一般神經元的結構外，胞體內還含有許多直徑為100～200nm的分泌顆粒，分泌顆粒沿細胞的軸突運輸到神經部，軸突沿途呈串珠狀膨大，膨大部(稱膨體)內可見分泌顆粒聚集。光鏡下可見神經部內有大小不等的嗜酸性團塊，稱赫令體(Herringbody)即為軸突內分泌顆粒大量聚集所成的結構。神經部內的膠質細胞又稱垂體細胞(pituicyte)，細胞的形狀和大小不一。電鏡下可見垂體細胞具有支持和營養神經纖維的作用。垂體細胞還可能分泌一些化學物質以調節神經纖維的活動的激素的釋放。

視上核和室旁核的大型神經內分泌細胞合成抗利尿素(antidiuretichormone,ADH)和催產素(oxytocin)。抗利尿素的主要作用是促進腎遠曲小管和集合管重吸收水，使尿量減少;抗利尿素分泌若超過生理劑量，可導致小動脈平滑肌收縮，血壓升高，故又稱加壓素形成的分泌顆粒有加壓素和催產素，分泌顆粒沿軸突運送到神經部儲存，進而釋放入竇狀毛細管內。因此，下丘腦與神經垂體是一個整體，兩者之間的神經纖維構成下丘腦神經垂體束。

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