Smadzeņu iekšpusē atrodas struktūru kopums, ko kopīgi dēvē par limbisko sistēmu. Spēlējot galveno lomu emociju un motivācijas jomā, galvenie orgāni ir hipotalāms, amigdala un hipokamps. Daļas ir sakārtotas cilpveida, savstarpēji savienotā tīklā, kas atrodas ap smadzeņu stumbra augšdaļu. Tas sazinās ar prefrontālo garozu un tiek saukts arī par “emocionālajām smadzenēm”.
Limbiskās sistēmas struktūra attīstās embrionālās augšanas periodā no agrīnas priekšējās smadzeņu formas, ko dēvē par telencefalonu. Neironu caurules nobriešana izveido centrālo nervu sistēmu, kas sastāv no smadzenēm un muguras smadzenēm. Telencefalons kļūst par smadzenēm, kur atrodas limbiskās sistēmas struktūras.
Hipotalāms nodrošina homeostatisko līdzsvaru, kas nepieciešams ķermeņa temperatūras, asinsspiediena un vielmaiņas uzturēšanai un regulēšanai. Lai gan amigdala nosaka baiļu nozīmi, šī limbiskās sistēmas struktūra rada fizioloģiskas reakcijas, piemēram, sacīkšu sirdi, svīšanu un palielinātu elpošanas ātrumu. Tā ir aizsargājoša reakcija uz uztverto apdraudējumu, kas ļauj veikt dzīvības glābšanas uzvedību.
Saistībā ar trauksmes stāvokļiem, piemēram, panikas traucējumiem un fobijām, amigdala ir īpaši saistīta ar baiļu veidošanos. Tajā tiek glabātas atmiņas par reakcijām uz biedējošiem notikumiem, kas var izraisīt garīgus traucējumus. Šis mazais mandeļu formas orgānu pāris, kas atrodas astes cilpas apakšā, ir atbildīgs par “cīnies vai bēgšanas” reakciju.
Mācību procesā svarīgi ir tas, ka hipokamps spēj konsolidēties — pievienot atmiņai fizisku attēlu, ļaujot to atgūt. Kamēr tas nenotiek, informācijas glabāšana ir īsa. Limbiskās sistēmas hipokampu struktūra galvenokārt ir iesaistīta faktiskā prasmes vai uzdevuma apguvē; tā nav pastāvīgas uzglabāšanas vieta. Par to ir atbildīgas citas smadzeņu daļas, piemēram, garoza.
Psihiskie stāvokļi ir saistīti ar limbiskās sistēmas struktūras bojājumiem. Piemēram, šizofrēnijas pacientiem vairākas zonas, tostarp hipokamps un amigdala, ir ievērojami mazākas nekā parasti. Šizofrēnija ir garīgs traucējums, kas izraisa domāšanas, uztveres un kognitīvo spēju problēmas.
Ventrikulāra paplašināšanās norāda uz smadzeņu audu deficītu, kas ir saistīts arī ar demenci, piemēram, Alcheimera slimību. Alcheimera slimības gadījumā smadzeņu audu deģenerācija sākas hipokampā, ietekmējot atmiņu un izziņu. Pētnieki uzskata, ka cilvēki ar šizofrēniju var piedzimt ar anomālijām vai arī tās radušās kaut kad agrā bērnībā. Cilvēkiem ar Alcheimera slimību laika gaitā ir pakāpeniski attīstījušās patoloģiskas smadzeņu izmaiņas, parasti daudz vēlāk.