Aivojen sisäpuolella sijaitsee joukko rakenteita, joita kutsutaan yhdessä limbiseksi järjestelmäksi. Pääosassa tunteissa ja motivaatiossa tärkeimpiin elimiin kuuluvat hypotalamus, amygdala ja hippokampus. Osat on järjestetty toisiinsa kytkeytyvään silmukkaverkkoon, joka sijaitsee aivorungon yläosan ympärillä. Se kommunikoi prefrontaalisen kuoren kanssa ja sitä kutsutaan myös ”emotionaaliseksi aivoksi”.
Limbisen järjestelmän rakenne kehittyy alkion kasvun aikana varhaisesta etuaivomuodosta, jota kutsutaan telencephaloniksi. Hermoputken kypsyminen muodostaa keskushermoston, joka koostuu aivoista ja selkäytimestä. Telencephalonista tulee aivo, jossa limbiset järjestelmärakenteet sijaitsevat.
Hypotalamus varmistaa homeostaattisen tasapainon, joka on tarpeen kehon lämpötilan, verenpaineen ja aineenvaihdunnan ylläpitämiseksi ja säätelemiseksi. Vaikka amygdala määrittää pelon merkityksellisyyden, tämä limbisen järjestelmän rakenne synnyttää fysiologisia reaktioita, kuten sydämen syke, hikoilu ja lisääntynyt hengitysnopeus. Se on suojaava reaktio havaittuun uhkaan, joka mahdollistaa hengenpelastavan käyttäytymisen.
Ahdistuneisiin tiloihin, kuten paniikkihäiriöön ja fobioihin liittyvä amygdala liittyy erityisesti pelon tuottamiseen. Muistot reaktioista pelottaviin tapahtumiin tallennetaan siihen, mikä voi aiheuttaa mielenterveyden häiriöitä. Tämä pieni pari mantelinmuotoisia elimiä, jotka sijaitsevat caudate-silmukan alaosassa, ovat vastuussa “taistele tai pakene” -vastauksesta.
Tärkeä oppimisprosessissa, hippokampus kykenee vahvistumaan – liittämään muistiin fyysisen kuvan, joka mahdollistaa sen haun. Ennen kuin tämä tapahtuu, tietojen tallentaminen on lyhyt. Limbisen järjestelmän hippocampal -rakenne liittyy ensisijaisesti taidon tai tehtävän todelliseen oppimiseen; se ei ole pysyvän varastoinnin paikka. Muut aivojen alueet ovat vastuussa tästä, kuten kuori.
Psykiatriset tilat on liitetty limbisen järjestelmän rakenteen vaurioitumiseen. Esimerkiksi skitsofreniapotilailla useat alueet, mukaan lukien hippokampus ja amygdala, ovat merkittävästi normaalia pienempiä. Skitsofrenia on mielenterveyshäiriö, joka aiheuttaa ongelmia ajattelun, havainnon ja kognitiivisten kykyjen kanssa.
Kammion laajentuminen osoittaa aivokudoksen puutteen, joka liittyy myös dementiaan, kuten Alzheimerin tautiin. Alzheimerin taudissa aivokudoksen rappeutuminen alkaa hippokampuksessa, mikä vaikuttaa muistiin ja kognitioon. Tutkijat ajattelevat, että skitsofreniapotilaat voivat syntyä poikkeavuuksiin tai että ne ovat syntyneet joskus varhaislapsuudessa. Alzheimerin tautia sairastaville on kehittynyt vähitellen epänormaaleja aivomuutoksia ajan myötä, tyypillisesti paljon myöhemmin elämässä.