Smegenų viduje yra struktūrų rinkinys, bendrai vadinamas limbine sistema. Vaidinantys pagrindinį emocijų ir motyvacijos vaidmenį, pagrindiniai organai yra pagumburis, migdolinis kūnas ir hipokampas. Dalys yra išdėstytos kilpiniame, tarpusavyje sujungtame tinkle, esančiame aplink smegenų kamieno viršų. Jis bendrauja su prefrontaline žieve ir taip pat vadinamas „emocinėmis smegenimis“.
Limbinės sistemos struktūra vystosi embriono augimo laikotarpiu iš ankstyvos priekinės smegenų formos, vadinamos telencefalonu. Nervinio vamzdelio brendimas sukuria centrinę nervų sistemą, susidedančią iš galvos ir nugaros smegenų. Telencefalonas tampa smegenimis, kurioje yra limbinės sistemos struktūros.
Pagumburis užtikrina homeostatinę pusiausvyrą, reikalingą kūno temperatūrai, kraujospūdžiui, medžiagų apykaitai palaikyti ir reguliuoti. Nors migdolinis kūnas lemia baimės svarbą, ši limbinės sistemos struktūra sukuria fiziologines reakcijas, tokias kaip širdies plakimas, prakaitavimas ir padažnėjęs kvėpavimas. Tai apsauginė reakcija į suvokiamą grėsmę, leidžianti gelbėti gyvybę.
Amygdala, susijusi su nerimo sąlygomis, tokiomis kaip panikos sutrikimas ir fobijos, yra ypač susijusi su baimės gamyba. Jame saugomi reakcijų į bauginančius įvykius prisiminimai, kurie gali sukelti psichikos sutrikimą. Ši maža migdolo formos organų pora, esanti uodegos kilpos apačioje, yra atsakinga už „kovok arba bėk“ atsaką.
Svarbus mokymosi procese, hipokampas gali konsoliduotis – prie atminties prideda fizinį vaizdą, kad būtų galima jį atkurti. Kol tai neįvyksta, informacijos saugojimas yra trumpas. Limbinės sistemos hipokampo struktūra pirmiausia yra susijusi su faktiniu įgūdžių ar užduoties mokymu; tai nėra nuolatinio saugojimo vieta. Už tai atsakingos kitos smegenų sritys, pavyzdžiui, žievė.
Psichikos sąlygos buvo susijusios su limbinės sistemos struktūros pažeidimu. Pavyzdžiui, šizofrenija sergantiems pacientams kelios sritys, įskaitant hipokampą ir migdolinį kūną, yra žymiai mažesnės nei įprastai. Šizofrenija yra psichikos sutrikimas, sukeliantis mąstymo, suvokimo ir pažinimo gebėjimų problemų.
Skilvelių išsiplėtimas rodo smegenų audinio trūkumą, kuris taip pat yra susijęs su demencija, pavyzdžiui, sergant Alzheimerio liga. Sergant Alzheimerio liga, smegenų audinio degeneracija prasideda hipokampe, pažeidžiant atmintį ir pažinimą. Mokslininkai mano, kad šizofrenija sergantys žmonės gali gimti su tokiomis anomalijomis arba jos atsirado kažkada ankstyvoje vaikystėje. Sergantiems Alzheimerio liga laikui bėgant palaipsniui išsivysto nenormalūs smegenų pokyčiai, paprastai daug vėliau.