U unutrašnjosti mozga nalazi se skup struktura koje se zajednički nazivaju limbičkim sustavom. Igrajući glavnu ulogu u emocijama i motivaciji, glavni organi uključuju hipotalamus, amigdalu i hipokampus. Dijelovi su raspoređeni u petlju, međusobno povezanu mrežu, smještenu oko vrha moždanog debla. Komunicira s prefrontalnim korteksom i naziva se i “emocionalni mozak”.
Struktura limbičkog sustava razvija se tijekom razdoblja embrionalnog rasta iz ranog oblika prednjeg mozga koji se naziva telencefalon. Sazrijevanjem neuralne cijevi uspostavlja se središnji živčani sustav koji se sastoji od mozga i leđne moždine. Telencefalon postaje cerebrum u kojem su smještene strukture limbičkog sustava.
Hipotalamus osigurava homeostatsku ravnotežu neophodnu za održavanje i regulaciju tjelesne temperature, krvnog tlaka i metabolizma. Dok amigdala određuje važnost straha, ova struktura limbičkog sustava generira fiziološke odgovore kao što su ubrzanje srca, znojenje i povećana brzina disanja. To je zaštitna reakcija na percipiranu prijetnju koja omogućuje životno spasavajuća ponašanja.
Povezana s anksioznim stanjima kao što su panični poremećaj i fobije, amigdala je posebno uključena u stvaranje straha. U njemu su pohranjena sjećanja na reakcije na zastrašujuće događaje, što može uzrokovati psihički poremećaj. Ovaj mali par organa u obliku badema koji se nalazi na dnu kaudatne petlje odgovoran je za odgovor “bori se ili bježi”.
Važan u procesu učenja, hipokampus je sposoban za konsolidaciju – pričvršćivanje fizičke slike u memoriju što omogućuje njezino pronalaženje. Dok se to ne dogodi, pohranjivanje informacija je kratko. Hipokampalna struktura limbičkog sustava prvenstveno je uključena u stvarno učenje neke vještine ili zadatka; nije mjesto trajnog skladištenja. Za to su odgovorna druga područja mozga, poput korteksa.
Psihijatrijska stanja povezana su s oštećenjem strukture limbičkog sustava. Kod shizofrenih pacijenata, na primjer, nekoliko područja, uključujući hipokampus i amigdalu, znatno je manje od normalnog. Shizofrenija je mentalni poremećaj koji uzrokuje probleme s mišljenjem, percepcijom i kognitivnim sposobnostima.
Povećanje ventrikula ukazuje na nedostatak cerebralnog tkiva koji je također povezan s demencijom, kao što je Alzheimerova bolest. Kod Alzheimerove bolesti, degeneracija moždanog tkiva počinje u hipokampusu, utječući na pamćenje i spoznaju. Istraživači smatraju da se ljudi sa shizofrenijom mogu roditi s anomalijama ili da su se pojavile negdje tijekom ranog djetinjstva. Oni s Alzheimerom postupno su razvili abnormalne promjene mozga tijekom vremena, obično mnogo kasnije u životu.