Wewnątrz mózgu znajduje się zestaw struktur określanych łącznie jako układ limbiczny. Odgrywając główną rolę w emocjach i motywacji, główne narządy obejmują podwzgórze, ciało migdałowate i hipokamp. Części są ułożone w zapętloną, połączoną sieć, umieszczoną wokół górnej części pnia mózgu. Komunikuje się z korą przedczołową i jest również nazywany „mózgiem emocjonalnym”.
Struktura układu limbicznego rozwija się w okresie rozwoju embrionalnego z wczesnej formy przodomózgowia określanej mianem kresomózgowia. Dojrzewanie cewy nerwowej ustanawia centralny układ nerwowy, składający się z mózgu i rdzenia kręgowego. Kresomózgowie staje się mózgiem, w którym mieszczą się struktury układu limbicznego.
Podwzgórze zapewnia równowagę homeostatyczną, niezbędną do utrzymania i regulacji temperatury ciała, ciśnienia krwi i metabolizmu. Podczas gdy ciało migdałowate określa znaczenie strachu, ta struktura układu limbicznego generuje reakcje fizjologiczne, takie jak przyspieszone bicie serca, pocenie się i przyspieszone oddychanie. Jest reakcją ochronną na postrzegane zagrożenie, umożliwiającą zachowania ratujące życie.
Związane z stanami lękowymi, takimi jak lęk napadowy i fobie, ciało migdałowate jest szczególnie zaangażowane w wytwarzanie strachu. Przechowywane są w nim wspomnienia reakcji na przerażające wydarzenia, które mogą powodować zaburzenia psychiczne. Ta mała para organów w kształcie migdałów, znajdujących się w dolnej części pętli ogoniastej, odpowiada za reakcję „walcz lub uciekaj”.
Istotny w procesie uczenia się, hipokamp jest zdolny do konsolidacji — dołączania fizycznego obrazu do pamięci, co pozwala na jego odzyskanie. Do tego czasu przechowywanie informacji trwa krótko. Hipokampowa struktura układu limbicznego jest przede wszystkim zaangażowana w faktyczne uczenie się umiejętności lub zadania; nie jest to miejsce stałego przechowywania. Odpowiadają za to inne obszary mózgu, takie jak kora mózgowa.
Choroby psychiczne powiązano z uszkodzeniem struktury układu limbicznego. Na przykład u pacjentów ze schizofrenią kilka obszarów, w tym hipokamp i ciało migdałowate, są znacznie mniejsze niż normalnie. Schizofrenia to zaburzenie psychiczne powodujące problemy z myśleniem, percepcją i zdolnościami poznawczymi.
Powiększenie komór wskazuje na niedobór tkanki mózgowej, który jest również powiązany z demencją, taką jak w chorobie Alzheimera. W chorobie Alzheimera degeneracja tkanki mózgowej zaczyna się w hipokampie, wpływając na pamięć i funkcje poznawcze. Badacze uważają, że osoby ze schizofrenią mogą urodzić się z anomaliami lub że pojawiły się we wczesnym dzieciństwie. Osoby z chorobą Alzheimera stopniowo rozwijają nieprawidłowe zmiany w mózgu, zwykle znacznie później w życiu.