Bilaterale cingulotomie richt zich op de cortex cingulate anterior, die deel uitmaakt van het limbisch systeem. Dit systeem is verantwoordelijk voor de integratie van gevoelens en emoties in de menselijke cortex. Het bestaat uit de cingulate gyrus, parahippocampale gyrus, amygdala en de hippocampus formatie.

Studies bij patiënten die een bilaterale cingulotomie ondergingen, waarbij fMRI-analyses werden verricht, toonden aan dat de anterieure cingulate cortex een sleutelrol speelt in de cognitieve controle en hoogstwaarschijnlijk betrokken is bij de controle van de aandachtsrespons, terwijl van het dorsale deel van dat hersengebied niet werd vastgesteld dat het bij een dergelijk proces betrokken is, hoewel dit nog steeds wordt betwist. De functie van het dorsale deel van de cingulate cortex werd in verband gebracht met het sorteren en verwerken van tegenstrijdige informatiesignalen. Bovendien wezen neuroimaging studies er ook op dat de anterieure cingulate cortex deelneemt aan de modulatie van corticale gebieden die van hogere orde zijn, evenals zintuiglijke verwerkingsgebieden.

Deze bevindingen zijn ook bevestigd door stereotactische micro-electrode analyse van enkele corticale neuronen in een studie, waarbij negen patiënten betrokken waren die bilaterale cingulotomie ondergingen. De studie onderzocht het effect van het uitvoeren van aandacht vragende taken op de activiteit van 36 neuronen gelegen in de anterieure cingulate cortex. Na analyse van de resultaten van de studie werd geconcludeerd dat de anterieure cingulate cortex inderdaad betrokken is bij de aanpassing van cognitieve taken die aandacht vereisen, gebaseerd op het feit dat er een verandering was in de basale vuursnelheid van neuronen in die regio tijdens de simulatie van dergelijke taken.

Neuro-imaging bracht ook verschillende subregio’s aan het licht in de anterieure cingulate cortex zelf, gebaseerd op hun functie. Deze studies toonden aan dat het caudale deel van de anterieure cingulate cortex een belangrijkere functie speelt bij cognitieve activiteiten waarbij aandacht, salience, interferentie en respons competitie een rol spelen. Deze resultaten gecombineerd met elektrofysiologisch onderzoek van de functie van neuronen in de anterieure cingulate cortex hebben inzichten opgeleverd die gebruikt kunnen worden bij het verbeteren van cingulotomie uitgevoerd bij patiënten die behandeld worden voor OCD. De basis achter dit idee is het feit dat een variatie van bepaalde taken, Emotional Stroop taken (ES), waarvan in het bijzonder is vastgesteld dat ze effecten hebben bij OCD-patiënten, neuronen activeren in het meer rostrale deel van de anterieure cingulate cortex. Theoretisch zou men dus betere resultaten moeten verkrijgen indien bij een dergelijke patiënt bilaterale cingulotomie wordt uitgevoerd in de rostrale anterieure cingulate cortex.

Bovendien is OCD in verband gebracht met een misvorming van de basale ganglia. De functie van dit deel van de menselijke hersenen is in kaart gebracht en bestaat uit vezelbanen die geassocieerd zijn met talrijke parallelle cortico-striato-thalamocorticale circuits (CSTC), die betrokken zijn bij sensorimotorische, motorische, oculomotorische zowel als de cognitieve processen die tot uiting komen in het limbisch systeem. Deze route omvat GABA-erge inhibitoire projecties die dienen als een van de communicatiemiddelen tussen de verschillende betrokken structuren. Er is verondersteld dat sommige vormen van OCD het gevolg zijn van ontremming van een of meer van de circuits die in het CSTC werkzaam zijn. Dit wordt ook aangetoond door een bevinding die een significante afname van de intracorticale inhibitie bij OCD-patiënten aantoonde. Derhalve zouden laesies in de anterieure cingulate cortex kunnen bijdragen tot de vermindering van het ontremmingseffect. Deze theorie werd bevestigd door een andere studie die de corticale inhibitoire en excitatoire mechanismen bij OCD evalueerde. In de studie werd de prikkelbaarheid van de motorische cortex gemeten, evenals de intracorticale inhibitie bij OCD-patiënten en een controle van gezonde personen. De resultaten toonden een significante afname van de intracorticale inhibitie, wat resulteerde in een vertraging van de interstimulus intervallen met 3 ms.Naast de nabijheid van en associatie met het limbisch systeem en de amygdala in het bijzonder, die een sleutelrol speelt in emotionele ervaring, deelt de voorste cingulate cortex afferente en efferente paden met een aantal thalamische kernen, evenals de achterste cingulate en een deel van sommige pariëtale, frontale en aanvullende motorische cortex. Dit alles onderstreept de grote waarschijnlijkheid dat de anterior cingulate cortex in verband moet worden gebracht met OCD.

Functionele MRI-analyses van de anterior cingulate cortex hebben ook geleid tot de invoering van bilaterale cingulotomie voor de behandeling van chronische pijn. Een dergelijke toepassing werd geïntroduceerd omdat de anterieure cingulate cortex in verband bleek te staan met de verwerking van nociceptieve informatie input. In het bijzonder is de rol van de anterieure cingulate cortex in de interpretatie van hoe een stimulus een persoon beïnvloedt eerder dan de daadwerkelijke fysieke intensiteit.