Aivojen alapuolella sijaitseva limbinen järjestelmä on sarja aivojen rakenteita, jotka suorittavat useita muistiin ja tunteisiin liittyviä tehtäviä. Limbisen järjestelmän ja tunteiden välinen yhteys on niin hyvin muodostettu, että jotkut tutkijat viittaavat järjestelmään “emotionaalisiin aivoihin”. Evoluution kannalta tämä järjestelmä on melko vanha, ja se on läsnä jopa alempien nisäkkäiden aivoissa, minkä vuoksi sitä kutsutaan myös paleomammalian aivoiksi.
Tässä järjestelmässä on useita rakenteita, mukaan lukien amygdala, hippocampus, hypotalamus, fornix ja väliseinä. Läheinen limbinen lohko on myös olennainen osa limbisen järjestelmän ja tunteiden yhdistämistä. Jotkut muut tässä mainitut rakenteet ovat myös rooleja emotionaalisessa säätelyssä.
Mikään yksittäinen rakenne ei ole täydellinen syytekijä limbisen järjestelmän ja tunteen välillä. Nämä rakenteet auttavat säätelemään tiettyjä emotionaalisia tiloja, mutta ne eivät aiheuta tunteita kokonaan. Tietyt rakenteet auttavat kuitenkin säätelemään tiettyjä emotionaalisia käyttäytymisiä.
Amygdala on yksi välttämätön rakenne, joka auttaa emotionaalisten muistojen muodostumista. Amygdalan aktivointi uhkaavasta ärsykkeestä saa tämän rakenteen toimimaan hippokampuksen kanssa sen muistamiseksi. Kun sama ärsyke kohdataan uudelleen, tämä rakenne aiheuttaa pelon. Se näyttää myös liittyvän vihaan, kiintymykseen ja seksuaalisiin reaktioihin. Eläimet, joilla ei ole amygdalaa, eivät osoita äiti -vaistoja tai vihan merkkejä eivätkä reagoi uhkaaviin tai seksuaalisesti herättäviin ärsykkeisiin.
Tietyt thalamuksen ja hypotalamuksen alueet auttavat ilmaisemaan tunteita, mutta eivät synnytä niitä. Talamin etummaiset ytimet näyttävät vaikuttavan siihen, miten yksilöt reagoivat tunneärsykkeisiin. Hypotalamuksen sivuilla tai sivuilla on ytimiä, jotka osallistuvat nautinnon ja vihan ilmaisemiseen. Epämiellyttävyys ja vastenmielisyys ärsykkeisiin välittyy keskustasta tai mediaalisesta alueesta.
Kuori auttaa myös liittymään limbiseen järjestelmään ja tunteisiin. Yksi limbisen kuoren osa, cingulate gyrus, auttaa hallitsemaan verenpainetta ja sykettä. Se aiheuttaa myös emotionaalisen reaktion kipuun. Lisäksi sillä voi olla roolinsa ilmaisussa. Villieläimet, joilta tämä aivojen alue poistetaan, eivät osoita aggressiota.
Ventraalisen tegmental-alueen niin kutsutut “ilokeskukset” osoittavat toisen yhteyden limbisen järjestelmän ja tunteiden välillä. Aktiivisuus näissä soluissa saa ne vapauttamaan kemiallisen dopamiinin. Dopamiini voi aiheuttaa miellyttäviä tunteita, jotka vaihtelevat lievästä palkitsevasta tunteesta vahvoihin tunteisiin, jotka muistuttavat seksuaalista tyydytystä.