中枢神经系统对于下丘脑-垂体-性腺（睾丸）轴的调节主要体现在对下丘脑的调节。下丘脑在机体功能活动中具有特殊的地位，其传入神经和传出神经通路错综复杂。下丘脑的肽能神经元不仅可以接受来自其他脑区的神经纤维，而且接受来自外周感觉神经传入的信息。神经系统感受的各种刺激都可能传输到下丘脑，通过一系列的机制调节并影响下丘脑激素的分泌。

下丘脑分泌的促性腺激素释放激素（GnRH）通过垂体门脉系统到达腺垂体促进促性腺激素（FSH和LH）的分泌与释放，再由FSH和LH控制睾丸的功能。

下丘脑的神经传入极其广泛，显示神经信息在此区域高度复杂的整合。这些神经信息不仅来自性腺的甾体激素和垂体促性腺激素的反馈机制，而且还来自环境因素（如光照、温度）和非特异刺激（如应激、情绪等）。这些信息从边缘系统、大脑皮质、丘脑、网状系统、脊髓以至视网膜通过各种中枢神经传递到达下丘脑-垂体，调控FSH和LH的分泌，调控方式如下：①通过汇聚于神经分泌细胞的单（或多）神经元通路。②直接与下丘脑的神经分泌细胞的胞体或树突形成突触联系。③与神经分泌细胞末梢形成轴-轴联系。④神经元轴突向门脉血管中释放神经递质，对垂体直接发挥作用。⑤肽能神经元内共存的神经递质对激素分泌的调节作用。

神经调节的作用方式最终利用神经递质和神经调质实现。下丘脑神经递质的分布也比较复杂，大致可以分为两大类：一类是单胺类神经递质，主要有多巴胺（DA）、去甲肾上腺素（NE）和5-羟色胺（5-HT）；另一类递质属于神经肽类物质，包括内源性吗啡样多肽（endogenous morphine-like peptides，EOP）、脑肠肽、神经垂体神经肽等。

调节下丘脑-垂体功能的多巴胺的神经通路有：一条为DA结节-垂体系统；另一条神经元位于下丘脑周围，纤维分布于下丘脑，即未定带-下丘脑束；第三条为黑质-纹状体途径，神经元胞体位于脑的黑质，纤维分布于尾核及其他前脑结构。多数研究认为，脑内DA递质通过促进下丘脑释放GnRH，从而导致LH和FSH释放增加，并因此促进动物性行为。雌性大鼠第三脑室内注射DA可促进FSH和LH的释放。DA受体阻滞剂可使LH、FSH释放减少，并使动物交配活动减少。大鼠去DA后对任何性刺激均无明显反应。帕金森病患者用左旋多巴治疗后多数患者性欲增强。

NE神经元胞体位于脑后部，在第四脑室底部的蓝斑，其纤维上行至下丘脑和其他中脑、前脑结构。在下丘脑，NE神经元与GnRH神经元发生兴奋性突触联系，加强GnRH神经元的活动，促进GnRH释放，进而使血中LH和FSH水平升高。

脑内5-HT神经元主要来自中缝核。有些研究表明，5-HT抑制下丘脑GnRH释放并因此抑制LH释放。脑室注射5-HT使LH释放减少，电刺激中缝核5-HT能神经元能抑制大鼠LH释放。但也有相反的结果，例如有人发现腹腔或脑室内注射5-HT前体物质5-羟色胺酸可使雌二醇诱发的LH释放增加。故5-HT对LH释放是抑制还是促进尚不能肯定。而关于5-HT递质对动物和人类性行为影响的研究结果则较为一致。多数研究结果表明，降低脑内5-HT含量可促进动物性行为。给动物注射双氯苯丙氨酸抑制5-HT合成，可促进动物发情，而增加脑内5-HT使动物交配减少。食欲抑制剂氟苯丙胺可使脑内5-HT释放增加，大部分女性服用该药后性欲下降。

包括β-内啡肽、脑啡肽、强啡肽等，对于垂体激素释放的生理性调节具有相同作用。它们可降低雄性大鼠血浆LH，对FSH无影响。给人静脉滴入吗啡肽也具有同样作用，特异吗啡受体拮抗剂纳洛酮可对抗此作用，并使LH升高到更高水平。内源性吗啡样多肽的作用是通过作用于下丘脑细胞腺上u1-受体完成的。实验证明，内源性吗啡样多肽可抑制下丘脑DA神经元的活动，降低DA的更新率，使门脉血中DA的含量减少。

内侧基底下丘脑区、正中隆起和垂体门脉血管中含有大量脑肠肽。因此，这些肽类激素可能参与调节下丘脑-垂体功能。已知血管活性肠肽（vasoactive intestinal polypeptide，VIP）可作用于下丘脑，使垂体LH和FSH的释放均增加；绝大多数脑肠肽的作用都是通过调节神经递质的更新实现的，并且与甾体激素所致的环境有关。

主要指缩宫素（oxytocin，OX）和血管加压素（vasopressin，VP）。GnRH神经元上有OX受体。OX随门脉血到达垂体，参与GnRH生理性分泌调控，可抑制GnRH的释放，影响垂体的分泌功能。

男性性腺轴有下丘脑、垂体和睾丸组成，睾丸产生的激素接受下丘脑-垂体的调控，同时又对下丘脑-垂体的活动发挥反馈调节作用。

下丘脑通过分泌促GnRH实现对腺垂体的内分泌调节。在人类，GnRH集中分布于下丘脑的弓状核、内侧视前区和室旁核处。在其他脑区，如间脑、边缘叶以及松果体、睾丸、卵巢、胎盘等组织中也有GnRH的分布。GnRH的主要作用是促进腺垂体合成和分泌促性腺激素，腺垂体促性腺激素细胞的膜上有GnRH受体，GnRH受体由327个氨基酸构成，是G蛋白耦联受体，GnRH在与其受体结合后，很可能是通过PLC-磷脂酰肌醇信号转导途径导致细胞内钙离子浓度增高而产生生物效应的。GnRH可以刺激腺垂体释放LH和FSH并调节性腺活动，但其对性腺的直接作用却是抑制性的。GnRH可以抑制睾丸的生精作用和睾酮的分泌，尤其是药理剂量GnRH的抑制作用更加显著。

腺垂体通过分泌促性腺激素FSH和LH，促进睾丸的生精功能与内分泌功能。动物实验证明，幼年动物的垂体摘除后，导致睾丸及附性器官不能发育成熟，呈幼稚状态。如果把成年雄性动物垂体摘除后，睾丸发生萎缩，生精细胞和间质细胞发生退变，生精过程停止，睾酮分泌受到抑制，附件器官发生萎缩。如果给摘除垂体的动物及早补充垂体促性腺激素，则上述现象可以避免或逆转。

睾丸间质细胞合成与分泌雄激素，主要是睾酮。睾酮进入靶细胞后转化为活性更强的双氢睾酮而起作用。睾丸间质细胞的睾酮合成受LH调控。在间质细胞膜上存在LH受体，正常情况下，睾丸间质细胞上的LH受体数量很大。LH与间质细胞上的LH受体结合后，激活腺苷酸环化酶，促进细胞内ATP转变为cAMP，进而激活依赖cAMP的蛋白激酶，进而使蛋白质磷酸化过程加速，形成多种磷酸化蛋白。其中，黄体生成素诱导蛋白可能起重要作用。磷酸化蛋白还可增加睾丸间质细胞膜的通透性，促进Ca ²⁺内流增强，在睾酮释放过程中发挥作用。磷酸化蛋白有助于胆固醇进入线粒体内，加速侧链裂解过程，转变为孕烯醇酮，进而使合成睾酮增加。FSH具有增加LH刺激睾酮分泌的作用，FSH的这种效应不是直接作用于间质细胞促进睾酮生成，而是通过诱导LH受体而间接起作用。

支持细胞上只有FSH受体而无LH受体。FSH控制支持细胞紧密连接的形成，建立血睾屏障，其与支持细胞膜上的特异性受体结合，所产生的主要效应是刺激蛋白质合成，包括一种能与雄激素结合能力很强的蛋白质叫雄激素结合蛋白（ABP）。ABP与间质细胞分泌的睾酮结合，维持曲精小管局部睾酮的高浓度，从而促进生精过程。支持细胞ABP的生成受FSH的控制，睾酮对ABP的生成有增强作用。实验证明，大鼠摘除垂体3天后，附睾头部ABP浓度较对照组降低40%，第10天则完全消失；如注射FSH后，ABP水平迅速上升，与FSH呈剂量反应关系。如果FSH加睾酮，ABP含量增加更明显。

FSH和LH对生精过程起着重要调节作用。动物实验证明，给未成年雄性大鼠注射FSH，结果使曲精小管上的生精细胞量显著增加，生精过程加强。给摘除垂体的大鼠单独注射FSH或LH均可维持生精过程，合并应用FSH与LH这种效应更强，提示FSH与LH控制生精过程。

实验证明，睾丸对下丘脑GnRH的合成和垂体的LH分泌均呈现抑制作用。切除动物睾丸后，去势大鼠下丘脑组织合成GnRH增多，垂体门静脉血中的GnRH含量增加。睾酮可通过反馈机制降低垂体对GnRH的反应性，调节LH的合成与分泌，以维持血中LH水平的相对稳定。如果垂体LH分泌增多时，血中睾酮增加，抑制垂体的LH分泌，这种抑制称为负反馈抑制。睾酮的这种对垂体的反馈调节并不影响FSH水平。实验证明，垂体FSH的分泌可能受曲精小管分泌的抑制素的控制。

睾丸抑制素的化学性质不是类固醇，是一种多肽或蛋白质，其分子量在17 000～100 000之间。抑制素是支持细胞产生的。由于抑制素可选择性地抑制FSH的分泌，不影响LH的分泌，因而不会引起性欲的减退或性行为及性征的障碍，但是会影响生育，导致不育。