Die bilaterale Cingulotomie zielt auf den anterioren cingulären Kortex, der Teil des limbischen Systems ist. Dieses System ist für die Integration von Gefühlen und Emotionen im menschlichen Kortex verantwortlich. Es besteht aus dem cingulären Gyrus, dem parahippocampalen Gyrus, der Amygdala und der Hippocampusformation.

Studien an Patienten, die einer bilateralen Cingulotomie unterzogen wurden, die fMRT-Analysen beinhalteten, zeigten, dass der anteriore cinguläre Kortex eine Schlüsselrolle bei der kognitiven Kontrolle spielt und höchstwahrscheinlich an der Kontrolle von Aufmerksamkeitsreaktionen beteiligt ist, während der dorsale Teil dieser Hirnregion nicht als an einem solchen Prozess beteiligt identifiziert wurde, obwohl dies noch umstritten ist. Die Funktion des dorsalen Teils des cingulären Kortex wurde mit dem Aussortieren und Verarbeiten von widersprüchlichen Informationssignalen in Verbindung gebracht. Darüber hinaus wiesen Neuroimaging-Studien darauf hin, dass der anteriore cinguläre Kortex an der Modulation kortikaler Regionen höherer Ordnung sowie sensorischer Verarbeitungsbereiche beteiligt ist.

Diese Befunde wurden auch durch stereotaktische Mikroelektrodenanalysen einzelner kortikaler Neuronen in einer Studie bestätigt, an der neun Patienten teilnahmen, die sich einer bilateralen Cingulotomie unterzogen. Die Studie untersuchte die Auswirkung der Durchführung aufmerksamkeitsfordernder Aufgaben auf die Aktivität von 36 Neuronen im anterioren cingulären Kortex. Die Analyse der Studienergebnisse ergab, dass der anteriore cinguläre Kortex tatsächlich an der Modifikation kognitiver Aufgaben, die Aufmerksamkeit erfordern, beteiligt ist, da sich die basale Feuerrate der Neuronen in dieser Region während der Simulation solcher Aufgaben veränderte.

Neuroimaging deckte auch verschiedene Unterregionen im anterioren cingulären Kortex selbst auf, die sich nach ihrer Funktion unterscheiden. Diese Studien zeigten, dass der kaudale Teil des anterioren cingulären Kortex eine wichtigere Funktion bei kognitiven Aktivitäten hat, die Aufmerksamkeit, Salienz, Interferenz und Reaktionswettbewerb beinhalten. Diese Ergebnisse in Verbindung mit elektrophysiologischen Untersuchungen der Funktion von Neuronen im anterioren cingulären Kortex haben Erkenntnisse geliefert, die zur Verbesserung der Cingulotomie bei Patienten, die wegen Zwangsstörungen behandelt werden, genutzt werden können. Grundlage dieser Idee ist die Tatsache, dass eine Variation bestimmter Aufgaben, die Emotional-Stroop-Aufgaben (ES), die sich bei Zwangsstörungspatienten als besonders wirksam erwiesen haben, Neuronen im eher rostralen Teil des anterioren cingulären Kortex aktivieren. Daher sollten theoretisch bessere Ergebnisse erzielt werden, wenn bei einem solchen Patienten eine bilaterale Cingulotomie im rostralen anterioren cingulären Kortex durchgeführt wird.

Außerdem wurde die Zwangsstörung mit einer Fehlbildung der Basalganglien in Verbindung gebracht. Die Funktion dieses Teils des menschlichen Gehirns wurde so kartiert, dass sie sich aus Faserbahnen zusammensetzt, die mit zahlreichen parallelen kortiko-striato-thalamokortikalen Schaltkreisen (CSTC) verbunden sind, die sowohl an sensomotorischen, motorischen und okulomotorischen als auch an kognitiven Prozessen beteiligt sind, die sich im limbischen System manifestieren. An diesem Weg sind hemmende GABAerge Projektionen beteiligt, die als eines der Mittel zur Kommunikation zwischen den verschiedenen beteiligten Strukturen dienen. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass einige Formen der Zwangsstörung das Ergebnis einer Enthemmung eines oder mehrerer Schaltkreise sind, die im CSTC arbeiten. Darauf deutet auch ein Befund hin, der eine signifikante Abnahme der intrakortikalen Hemmung bei OCD-Patienten zeigte. Somit könnten Läsionen im anterioren cingulären Kortex zur Abschwächung der Enthemmungswirkung beitragen. Diese Theorie wurde durch eine andere Studie bestätigt, in der die kortikalen Hemmungs- und Erregungsmechanismen bei Zwangsstörungen untersucht wurden. In der Studie wurden die Erregbarkeit des motorischen Kortex sowie die intrakortikale Hemmung bei OCD-Patienten und einer Kontrollgruppe von gesunden Personen gemessen. Die Ergebnisse zeigten eine signifikante Abnahme der intrakortikalen Hemmung, die zu einer Verlangsamung der Interstimulusintervalle um 3 ms führte. Zusätzlich zu seiner Nähe zum und seiner Verbindung zum limbischen System und insbesondere zur Amygdala, die eine Schlüsselrolle bei emotionalen Erfahrungen spielt, teilt der anteriore cinguläre Kortex afferente und efferente Bahnen mit einer Reihe von Thalamuskernen sowie mit dem posterioren cingulären und einem Teil des parietalen, frontalen und ergänzenden motorischen Kortex. All dies unterstreicht die hohe Wahrscheinlichkeit, dass der anteriore cinguläre Kortex mit der OCD in Verbindung stehen muss.

Funktionelle MRT-Analysen des anterioren cingulären Kortex haben auch zur Einführung der bilateralen Cingulotomie zur Behandlung chronischer Schmerzen geführt. Diese Anwendung wurde eingeführt, da sich herausgestellt hat, dass der anteriore cinguläre Kortex mit der Verarbeitung nozizeptiver Informationen in Verbindung steht. Insbesondere spielt der anteriore cinguläre Kortex eine Rolle bei der Interpretation, wie ein Reiz auf eine Person wirkt, und nicht bei seiner tatsächlichen physischen Intensität.