Cingulotomia bilateral visa o córtex cingulado anterior, que é uma parte do sistema límbico. Este sistema é responsável pela integração dos sentimentos e emoções no córtex humano. Consiste no giro cingulado, giro parahipocampal, amígdala e a formação hipocampal.

Estudos em pacientes que foram submetidos a cingulotomia bilateral, que envolveram análises de fMRI, mostraram que o córtex cingulado anterior tem um papel fundamental no controle cognitivo e é altamente provável que esteja envolvido no controle da resposta atencional, enquanto a parte dorsal daquela região do cérebro não foi identificada para estar envolvida em tal processo, embora isto ainda esteja em disputa. A função da parte dorsal do córtex cingulado estava ligada à ordenação e processamento de sinais de informação conflitantes. Além disso, estudos de neuroimagem também indicaram que o córtex cingulado anterior participa da modulação de regiões corticais que são de ordem mais elevada, bem como áreas de processamento sensorial.

Estes achados também foram confirmados pela análise estereotáxica de microeletrodos de neurônios corticais únicos em um estudo, que envolveu nove pacientes submetidos à cingulotomia bilateral. O estudo investigou o efeito da realização de tarefas exigentes de atenção na atividade de 36 neurônios localizados no córtex cingulado anterior. Ao analisar os resultados do estudo, concluiu-se que o córtex cingulado anterior está de fato envolvido na modificação de tarefas cognitivas que requerem atenção com base no fato de que houve uma mudança na taxa de disparo basal dos neurônios naquela região durante a simulação de tais tarefas.

Neuroimagem também revelou diferentes sub-regiões no próprio córtex cingulado anterior com base em sua função. Estes estudos mostraram que a parte caudal do córtex cingulado anterior desempenha uma função mais importante em atividades cognitivas que envolvem atenção, saliência, interferência e competição de resposta. Estes resultados combinados com a investigação eletrofisiológica da função dos neurônios no córtex cingulado anterior têm fornecido insights que podem ser usados na melhoria da cingulotomia realizada em pacientes tratados para o TOC. A base por trás desta idéia é o fato de que uma variação de certas tarefas, tarefas Emocionais Stroop (ES), que têm sido particularmente identificadas como exercendo efeitos em pacientes com TOC, ativam neurônios na parte mais rostral do córtex cingulado anterior. Assim, teoricamente, se a cingulotomia bilateral for realizada em tal paciente no córtex cingulado anterior rostral, melhores resultados devem ser obtidos.

Além disso, o TOC tem sido associado a uma malformação dos gânglios basais. A função desta parte do cérebro humano foi mapeada para ser composta de trilhas de fibras associadas a numerosos circuitos paralelos cortico-estriato-thalamocorticais (CSTC), que estão envolvidos nos processos sensorimotor, motor, oculomotor, bem como nos processos cognitivos que são manifestados pelo sistema límbico. Esta via envolve projeções inibitórias GABAergicas que servem como um dos meios de comunicação entre as diferentes estruturas envolvidas. Tem sido levantada a hipótese de que algumas formas de TOC são resultado da desinibição de um ou vários dos circuitos que operam na CSTC. Isto também é indicado por um achado que mostrou uma diminuição significativa na inibição intracortical em pacientes com TOC. Assim, lesões no córtex cingulado anterior podem contribuir para a diminuição do efeito da desinibição. Esta teoria foi confirmada por outro estudo que avaliou os mecanismos inibitórios corticais e excitatórios no TOC. O estudo mediu a excitabilidade do córtex motor, assim como a inibição intracortical em pacientes com TOC e um controle de indivíduos saudáveis. Os resultados mostraram uma diminuição significativa na inibição intracortical, o que resultou em uma desaceleração dos intervalos interstímulos em 3 ms. Além de sua proximidade e associação com o sistema límbico e a amígdala em particular, que desempenha um papel chave na experiência emocional, o córtex cingulado anterior compartilha vias aferentes e eferentes com vários núcleos talâmicos, assim como o córtex cingulado posterior e parte de alguns córtex parietal, frontal e motor suplementar. Todos estes sublinham a alta probabilidade de que o córtex cingulado anterior deva estar ligado ao TOC.

Análises de ressonância magnética funcional do córtex cingulado anterior também levaram à introdução da cingulotomia bilateral para o tratamento da dor crônica. Tal aplicação foi introduzida desde que se descobriu que o córtex cingulado anterior está relacionado com a entrada de informação nociceptiva do processamento. Em particular, o papel do córtex cingulado anterior está na interpretação de como um estímulo afeta uma pessoa ao invés de sua intensidade física real.