Aju sisemuses paikneb struktuuride kogum, mida ühiselt nimetatakse limbiliseks süsteemiks. Etendades peamist rolli emotsioonide ja motivatsiooni vallas, on peamised organid hüpotalamus, amygdala ja hipokampus. Osad paiknevad ajutüve ülaosas ringikujulises, omavahel ühendatud võrgus. See suhtleb prefrontaalse ajukoorega ja seda nimetatakse ka “emotsionaalseks ajuks”.
Limbilise süsteemi struktuur areneb embrüonaalse kasvu perioodil varasest eesaju vormist, mida nimetatakse telentsefaloniks. Neuraaltoru küpsemine loob kesknärvisüsteemi, mis koosneb ajust ja seljaajust. Telencefalonist saab suuraju, kus paiknevad limbilise süsteemi struktuurid.
Hüpotalamus tagab homöostaatilise tasakaalu, mis on vajalik kehatemperatuuri, vererõhu ja ainevahetuse hoidmiseks ja reguleerimiseks. Kuigi mandelkeha määrab hirmu asjakohasuse, tekitab see limbilise süsteemi struktuur füsioloogilisi reaktsioone, nagu südame löögid, higistamine ja suurenenud hingamissagedus. See on kaitsereaktsioon tajutavale ohule, mis võimaldab elupäästvat käitumist.
Seoses ärevushäiretega, nagu paanikahäire ja foobiad, on amygdala eriti seotud hirmu tekitamisega. Sellesse on talletatud mälestused reaktsioonidest hirmutavatele sündmustele, mis võivad põhjustada psüühikahäireid. See väike mandlikujuliste elundite paar, mis asub sabaaasa allosas, vastutab vastuse “võitle või põgene” eest.
Õppeprotsessis oluline on see, et hipokampus on võimeline konsolideeruma – kinnitama mälule füüsilise kujutise, mis võimaldab seda taastada. Kuni see juhtub, on teabe salvestamine lühike. Limbilise süsteemi hipokampuse struktuur on peamiselt seotud oskuse või ülesande tegeliku õppimisega; see ei ole alalise ladustamise koht. Selle eest vastutavad teised ajupiirkonnad, näiteks ajukoor.
Psühhiaatrilisi seisundeid on seostatud limbilise süsteemi struktuuri kahjustusega. Näiteks skisofreeniahaigetel on mitmed piirkonnad, sealhulgas hipokampus ja amygdala, normaalsest oluliselt väiksemad. Skisofreenia on vaimne häire, mis põhjustab probleeme mõtlemise, taju ja kognitiivsete võimetega.
Ventrikulaarne suurenemine viitab ajukoe puudulikkusele, mis on samuti seotud dementsusega, näiteks Alzheimeri tõvega. Alzheimeri tõve korral algab ajukoe degeneratsioon hipokampusest, mis mõjutab mälu ja tunnetust. Teadlased arvavad, et skisofreeniahaigetel võivad olla sündinud kõrvalekalded või need on tekkinud millalgi varases lapsepõlves. Alzheimeri tõvega inimestel on aja jooksul järk-järgult tekkinud ebanormaalsed ajumuutused, tavaliselt palju hilisemas elus.