Cingulotomia bilaterală vizează cortexul cingulat anterior, care este o parte a sistemului limbic. Acest sistem este responsabil pentru integrarea sentimentelor și a emoțiilor în cortexul uman. Este alcătuit din girusul cingular, girusul parahipocampal, amigdala și formațiunea hipocampală.

Studiile efectuate la pacienții care au făcut obiectul unei cingulotomii bilaterale, care au implicat analize fMRI, au arătat că cortexul cingulat anterior are un rol cheie în controlul cognitiv și este foarte probabil să fie implicat în controlul răspunsului atențional, în timp ce partea dorsală a acestei regiuni a creierului nu a fost identificată ca fiind implicată într-un astfel de proces, deși acest lucru este încă în discuție. Funcția părții dorsale a cortexului cingular a fost legată de sortarea și procesarea semnalelor de informații conflictuale. În plus, studiile de neuroimagistică au indicat, de asemenea, că cortexul cingulat anterior participă la modularea regiunilor corticale care sunt de ordin superior, precum și a zonelor de procesare senzorială.

Aceste constatări au fost, de asemenea, confirmate prin analiza cu microelectrozi stereotactici a neuronilor corticali individuali într-un studiu, care a implicat nouă pacienți supuși unei cingulotomii bilaterale. Studiul a investigat efectul îndeplinirii unor sarcini solicitante de atenție asupra activității a 36 de neuroni localizați în cortexul cingular anterior. În urma analizei rezultatelor studiului, s-a ajuns la concluzia că cortexul cingulat anterior este într-adevăr implicat în modificarea sarcinilor cognitive care necesită atenție, pe baza faptului că a existat o modificare a ratei de ardere bazală a neuronilor din această regiune în timpul simulării unor astfel de sarcini.

Neuroimagistica a descoperit, de asemenea, diferite subregiuni în cortexul cingulat anterior însuși, în funcție de funcția lor. Aceste studii au arătat că partea caudală a cortexului cingular anterior joacă o funcție mai importantă în activitățile cognitive care implică atenția, saliența, interferența și competiția răspunsurilor. Aceste rezultate, combinate cu investigarea electrofiziologică a funcției neuronilor din cortexul cingulat anterior, au oferit informații care pot fi utilizate în îmbunătățirea cingulotomiei efectuate la pacienții tratați pentru TOC. La baza acestei idei se află faptul că o variație a anumitor sarcini, sarcinile Emotional Stroop (ES), care au fost identificate în mod special ca exercitând efecte la pacienții cu TOC, activează neuronii din partea mai rostrală a cortexului cingular anterior. Astfel, teoretic, dacă la un astfel de pacient se efectuează o cingulotomie bilaterală în cortexul cingulat anterior mai rostral, ar trebui să se obțină rezultate mai bune.

Mai mult, TOC a fost asociat cu o malformație a ganglionilor bazali. Funcția acestei părți a creierului uman a fost cartografiată ca fiind compusă din trasee de fibre asociate cu numeroase circuite paralele cortico-striato-thalamocorticale (CSTC), care sunt implicate în procesele senzorio-motorii, motorii, oculomotorii, precum și în procesele cognitive care se manifestă prin sistemul limbic. Această cale implică proiecții inhibitorii GABAergice care servesc ca unul dintre mijloacele de comunicare între diferitele structuri implicate. S-a emis ipoteza că unele forme de TOC sunt rezultatul dezinhibiției unuia sau mai multor circuite care operează în CSTC. Acest lucru este indicat, de asemenea, de o constatare care a arătat o scădere semnificativă a inhibiției intracorticale la pacienții cu TOC. Astfel, leziunile din cortexul cingular anterior ar putea contribui la diminuarea efectului de dezinhibiție. Această teorie a fost confirmată de un alt studiu care a evaluat mecanismele corticale inhibitorii și excitatorii în TOC. Studiul a măsurat excitabilitatea cortexului motor, precum și inhibiția intracorticală la pacienții cu TOC și la un control format din persoane sănătoase. Rezultatele au arătat o scădere semnificativă a inhibiției intracorticale, ceea ce a dus la o încetinire a intervalelor interstimulare cu 3 ms.În plus față de proximitatea și asocierea sa cu sistemul limbic și cu amigdala în special, care joacă un rol cheie în experiența emoțională, cortexul cingular anterior împarte căi aferente și eferente cu o serie de nuclee talamice, precum și cu cingularul posterior și cu o parte a unor cortexuri parietale, frontale și motorii suplimentare. Toate acestea subliniază probabilitatea ridicată ca cortexul cingulat anterior să fie legat de TOC.

Analizele RMN funcționale ale cortexului cingulat anterior au condus, de asemenea, la introducerea cingulotomiei bilaterale pentru tratamentul durerii cronice. O astfel de aplicație a fost introdusă deoarece s-a constatat că cortexul cingulat anterior este legat de procesarea intrărilor de informații nociceptive. În special, rolul cortexului cingulat anterior este în interpretarea modului în care un stimul afectează o persoană, mai degrabă decât intensitatea sa fizică reală.

.