La cingulotomía bilateral se dirige al córtex cingulado anterior, que forma parte del sistema límbico. Este sistema es responsable de la integración de los sentimientos y las emociones en el córtex humano. Está formado por la circunvolución cingulada, la circunvolución parahipocampal, la amígdala y la formación del hipocampo.

Los estudios realizados en pacientes sometidos a una cingulotomía bilateral, que incluían análisis de IRMf, mostraron que el córtex cingulado anterior tiene un papel clave en el control cognitivo y es muy probable que esté implicado en el control de la respuesta atencional, mientras que no se identificó que la parte dorsal de esa región del cerebro estuviera implicada en dicho proceso, aunque esto todavía está en discusión. La función de la parte dorsal del córtex cingulado estaba relacionada con la clasificación y el procesamiento de señales de información conflictivas. Además, los estudios de neuroimagen también indicaron que el córtex cingulado anterior participa en la modulación de las regiones corticales de orden superior, así como de las áreas de procesamiento sensorial.

Estos hallazgos también se han confirmado mediante el análisis estereotáctico con microelectrodos de neuronas corticales individuales en un estudio, en el que participaron nueve pacientes sometidos a una cingulotomía bilateral. El estudio investigó el efecto de la realización de tareas que exigen atención sobre la actividad de 36 neuronas localizadas en el córtex cingulado anterior. Al analizar los resultados del estudio se concluyó que el córtex cingulado anterior está efectivamente implicado en la modificación de las tareas cognitivas que requieren atención, basándose en el hecho de que había un cambio en la tasa de disparo basal de las neuronas de esa región durante la simulación de dichas tareas.

La neuroimagen también descubrió diferentes subregiones en el propio córtex cingulado anterior según su función. Estos estudios mostraron que la parte caudal del córtex cingulado anterior desempeña una función más importante en las actividades cognitivas que implican atención, saliencia, interferencia y competencia de respuestas. Estos resultados, combinados con la investigación electrofisiológica de la función de las neuronas del córtex cingulado anterior, han aportado ideas que pueden utilizarse para mejorar la cingulotomía realizada en pacientes tratados por el TOC. La base de esta idea es el hecho de que una variación de ciertas tareas, las tareas de Stroop Emocional (ES), que han sido particularmente identificadas por ejercer efectos en pacientes con TOC, activan neuronas en la parte más rostral de la corteza cingulada anterior. Por lo tanto, teóricamente, si en un paciente de este tipo se realiza una cingulotomía bilateral en el córtex cingulado anterior rostral, deberían obtenerse mejores resultados.

Además, el TOC se ha asociado a una malformación de los ganglios basales. Se ha mapeado que la función de esta parte del cerebro humano está compuesta por vías de fibras asociadas a numerosos circuitos paralelos córtico-estriados-talamocorticales (CSTC), que están implicados en procesos sensoriomotores, motores, oculomotores, así como en los procesos cognitivos que se manifiestan por el sistema límbico. Esta vía implica proyecciones inhibitorias GABAérgicas que sirven como uno de los medios de comunicación entre las diferentes estructuras implicadas. Se ha planteado la hipótesis de que algunas formas de TOC son el resultado de la desinhibición de uno o varios de los circuitos que operan en el CSTC. Esto también lo indica un hallazgo que mostró una disminución significativa de la inhibición intracortical en pacientes con TOC. Por lo tanto, las lesiones en el córtex cingulado anterior podrían contribuir a la disminución del efecto de desinhibición. Esta teoría ha sido confirmada por otro estudio que evaluó los mecanismos corticales inhibitorios y excitatorios en el TOC. El estudio midió la excitabilidad de la corteza motora, así como la inhibición intracortical en pacientes con TOC y en un control de individuos sanos. Los resultados mostraron una disminución significativa de la inhibición intracortical, que se tradujo en una ralentización de los intervalos entre estímulos de 3 ms.Además de su proximidad y asociación con el sistema límbico y la amígdala en particular, que desempeña un papel clave en la experiencia emocional, el córtex cingulado anterior comparte vías aferentes y eferentes con varios núcleos talámicos, así como con el cíngulo posterior y parte de algunos córtex motores parietales, frontales y suplementarios. Todo ello subraya la alta probabilidad de que el córtex cingulado anterior deba estar relacionado con el TOC.

Los análisis funcionales por resonancia magnética del córtex cingulado anterior también han llevado a la introducción de la cingulotomía bilateral para el tratamiento del dolor crónico. Dicha aplicación se introdujo ya que se ha descubierto que la corteza cingulada anterior está relacionada con el procesamiento de la entrada de información nociceptiva. En concreto, la función del córtex cingulado anterior es la interpretación de cómo afecta un estímulo a una persona, más que su intensidad física real.