女性性功能的神经学基础尚不十分清楚；但目前认为女性性功能是由三级神经中枢调节的。第一级中枢，也就是性功能的初级中枢，位于脊髓低段，亦称脊髓中枢，通过体干神经和交感、副交感神经支配外、内性器官也参与性兴奋和性行为的调节；第二级中枢，是位于下丘脑和后脑的皮质下中枢，主要通过分泌促性腺激素释放激素而调节性功能；第三级中枢，是位于大脑皮质的边缘系统，特别是隔区和有关的结构中，是性功能调节的最高中枢。通过丘脑下部—垂体—卵巢轴的调节而使生殖器官发生周期性变化，并影响性功能。
丘脑下部分泌的促性腺释放激素作用于垂体前叶，使之合成和释放促卵泡素和促黄体素。在少量促黄体素的参与下，促卵泡素使卵巢中的卵泡发育成熟并分泌雌激素。在雌激素的作用下，子宫内膜发生增殖期变化。雌激素的分泌量在排卵前达到第一高峰，并对丘脑下部—垂体产生正负反馈。正反馈是促使垂体释放促黄体素，负反馈是抑制促卵泡素的释放。
当促黄体素释放达到高峰时，在促卵泡素的参与下触发卵巢排卵，并使破裂的卵泡形成黄体。黄体分泌孕激素和雌激素，由于孕激素的作用使子宫内膜变成分泌期。随着孕激素和雌激素分泌的增加达到高峰，对丘脑下部—垂体起抑制作用(负反馈)，从而使垂体释放的促卵泡素和促黄体素下降。于是，黄体萎缩，孕激素和雌激素的分泌随之下降，因而子宫内膜难以维持而脱落形成月经。由于孕激素和雌激素的下降，解除了对丘脑下部—垂体的抑制，而垂体又重新释放促卵泡素，新的卵泡又开始发育，新的周期又开始了。
近些年的研究证明，丘脑下部一些神经元释放促性腺释放激素受到脑组织某些神经元释放的单胺类(如多巴胺等)神经介质的控制，而那些释放单胺类神经介质的神经元又受到更高级的神经中枢的影响，如大脑精神活动的影响。另外，垂体还分泌生乳素，它协同雌、孕激素并促进乳房的发育与分泌，并受丘脑下部的控制；卵巢也分泌少量的雄性激素，并可以转化为雌激素而发挥雌激素的作用，并可以引起阴蒂的增大等。
从内分泌的角度，雌激素对女性性欲影响较大，雄激素次之。
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