PTSD mõju ajule näib viitavat sellele, et selle häire sümptomitel on bioloogiline alus. Teadlased usuvad, et äärmuslik psühholoogiline trauma võib põhjustada füüsilisi muutusi ajus. Siiski võib olla võimalik, et aju struktuuri ja funktsioonide loomupärased erinevused muudavad mõned inimesed PTSD suhtes haavatavaks. PTSD mõju ajule avaldub peamiselt mandelkehas, ajuosas, mis aitab emotsioone kontrollida. Hippkampus, prefrontaalsagaras ja prefrontaalne ajukoor võivad traumaatiliste kogemuste tõttu kahjustada saada ning mõned eksperdid usuvad, et PTSD mõju ajule hõlmab muutusi viisis, kuidas aju kasutab teatud neurotransmittereid, nagu dopamiin, serotoniin ja noradrenaliin.
Üks PTSD peamisi mõjusid ajule võib olla mandelkehas. Koos prefrontaalse ajukoorega vastutab amügdala tavaliselt emotsioonide kontrollimise eest. Mõne PTSD all kannataja puhul kasvab amügdala tegelikult suuremaks, mis võib viidata aju liigsele emotsionaalsele reaktsioonile. Muutused aju neurotransmitterite kasutamises pärast trauma läbimist võivad põhjustada prefrontaalse ajukoore funktsiooni vähenemist, mis tavaliselt aitab ka emotsioone, eriti hirmuäratavaid, kontrollida. Eksperdid usuvad, et traumajärgsed muutused prefrontaalse ajukoore funktsioonis võivad tekkida neurotransmitteri dopamiini suurenenud taseme tõttu, mida aju tavaliselt eritab, kui on vaja kõrget erksust ja ettevaatust.
Paljud PTSD all kannatajad kogevad pärast sümptomite tekkimist tuimust emotsionaalset seisundit. Eksperdid usuvad, et see võib olla tingitud valu leevendamise eest vastutavate neurotransmitterite suurenenud tasemest. PTSD mõju ajule võib hõlmata ka vähenenud võimet kasutada neurotransmitterit serotoniini, mis üldiselt vastutab heaolutunde eest. See võib selgitada, miks PTSD-ga kaasnevad sageli depressioonid.
Hipokampus, mis tavaliselt vastutab mälestuste töötlemise ja säilitamise eest, võib samuti kannatada muutusi PTSD mõju tõttu ajule. Eksperdid on leidnud, et paljudel PTSD sümptomitega inimestel on tavalisest väiksem hipokampus. Üks teooria väidab, et hipokampuse suurus võib stressi tekitavate sündmuste ajal stressihormooni kortisooli tekitatud kahjustuse tõttu tegelikult väheneda. Teine teooria väidab, et kellelgi, kellel tekib PTSD, võis alguses olla ebatavaliselt väike hipokampus.
PTSD-ga inimestel on sageli raskusi oma mõtete kogumisel ja väljendamisel. PTSD mõju ajule võib hõlmata prefrontaalsagara kahjustust, aju piirkonda, mis tavaliselt reguleerib kõnet ja eneseväljendust. Kõrgenenud noradrenaliini tase ajus võib seletada intensiivsete füüsiliste jahmatusreaktsioonide esinemist PTSD-ga patsientidel, kuna see neurotransmitter kutsub tavaliselt esile stressirohketele olukordadele “võitle või põgene” reaktsioonid.