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甲状腺激素的合成与分泌主要受下丘脑-垂体-甲状腺轴的调节。血液中游离T3、T4水平的波动，负反馈地引起下丘脑释放促甲状腺激素释放激素（TRH）和垂体释放促甲状腺激素（TSH）的增加或减少。TRH的主要作用是促进腺垂体合成和释放TSH。TSH刺激甲状腺细胞增生和甲状腺球蛋白合成，并对甲状腺激素合成中，从碘的摄取到释放的各过程均有促进作用。在上述作用中，血液中游离T3、T4水平对垂体释放TSH的负反馈调控最重要。因此只有TSH测定才能反映下丘脑-垂体-甲状腺轴的功能。