Las neuronas del sistema nevioso, al igual que las de los otros sistemas del organismo, se encuentran sumergidas en un compartimiento o medio, el medio interno. Este compartimiento se caracteriza por presentar propiedades fundamentales para el funcionamiento normal de las células, las que varían en rangos muy estrechos, a pesar de las múltiples perturbaciones que constantemente actúan sobre ellas. La temperatura, el pH, la osmolaridad, la concentración de algunos metabolitos, se mantienen en valores casi constantes. Ello se explica porque esos parámetros se encuentran en equilibrio de régimen estacionario (steady state), es decir, están sujetos a un sistema de control en el que lo que cambian, ganan o pierden, es rápidamente compensado de modo que sus niveles oscilan alrededor de valores que parecen constantes. La mantención de esa constancia en niveles de valores fisiológicos de esos parámetros es la homeostasis.

Una de las funciones del sistema nervioso es participar en la regulación de la homeostasis. Se considera que casi todo el cerebro esta involucrado en esta tarea. Sin embargo, las neuronas que, tradicionalmente, se han visto más involucradas con esta tarea se consideran concentradas en el hipotálamo.

En esta función el hipotálamo trabaja coordinadamente con estructuras del sistema límbico, del sistema endocrino y del sistema nervioso autónomo. A través de estos dos últimos sistemas se considera que el hipotálamo participa directamente en la regulación de la homeostasis.

El sistema límbico regula las emociones, función que explica sus numerosas conexiones con variadas estructuras cerebrales. Anatómica y funcionalmente, el sistema límbico y el hipotálamo están íntimamente relacionados. Las conductas emocionales orquestadas desde el sistema límbico tienen un claro correlato visceral (cambios en la frecuencia cardíaca, en la presión sanguínea, y otras) que se explican por las conexiones entre el sistema límbico y el hipotálamo, región en la cual se ubican los centros que regulan esos parámetros.

El concepto de sistema límbico derivó de la idea primitiva de lóbulo límbico, propuesta por P. Broca para designar una serie de estructuras ubicadas en relación al tronco cerebral: el girus parahipocámpico, el girus cingulado, el girus subcalloso (continuación del girus dentado) y parte de la llamada formación hipocámpica (el hipocampo, el subiculum y el girus dentado). Sólo de 1937 adelante, se relacionó el lóbulo límbico con las emociones cuando J. Papez sugirió que las estructuras mencionadas formaban un circuito que sería el substrato de las emociones y en el se incluiría al hipotálamo, región que sería fundamental en la expresión de las emociones. Sugirió además conexiones entre la corteza cerebral y el hipotálamo a través del girus cingulado y del hipocampo. Surgió así el concepto de un circuito neuronal de las emociones, el circuito de Papez que, posteriormente, fue ampliado al de sistema límbico, actualmente en uso (P. MacLean)

Una de las principales funciones del hipotálamo es el controlar la hipófisis, glándula endocrina que participa en la regulación de diversas funciones del organismo, muchas de ellas también relacionadas con la homeostasis (regulación de la glicemia, de la osmolaridad). Pero el hipotálamo también es el centro coordinador del sistema nervioso autónomo e integra señales que vienen del medio ambiente y del medio interno modulando así las respuestas viscerales y las somáticas.

Las respuestas y conductas que resultan de esta influencia hipotalámica son similares a las que aparecen en las respuestas emocionales. Por ello, W. Hess sugirió que el hipotálamo también coordina las respuestas y conductas emocionales. Una forma de respuesta emocional muy estudiada ha sido la reacción de ira ficticia (sham rage), que es distinta a la ira natural y que se desencadenaría por una decorticación total, siempre que se incluyan en ella estructuras del sistema límbico, como la corteza cingulada.

En relación a la homeostasis y también a otras respuestas, el hipotálamo participaría en los siguientes reflejos:

• reflejos comunes, donde tanto la aferencia como la eferencia se hacen por vías nerviosas: liberación de ocitocina por la hipófisis en respuesta a la succión del pezón en la glándula mamaria.
• reflejos en que la aferencia es neuronal y la eferencia humoral: ejección de leche y/o contracción uterina.
• reflejos en que la aferencia y la eferencia son humorales, como por ejemplo la regulación de la liberación de vasopresina por cambios en la cocentración plasmática de Na⁺.