Bilateral cingulotomi riktar sig mot den främre cingulära hjärnbarken, som är en del av det limbiska systemet. Detta system ansvarar för integrationen av känslor och känslor i den mänskliga hjärnbarken. Det består av gyrus cingulate, gyrus parahippocampus, amygdala och hippocampusformationen.

Studier på patienter som var föremål för bilateral cingulotomi, som omfattade fMRI-analyser, visade att den främre cingulära hjärnbarken har en nyckelroll i den kognitiva kontrollen och med stor sannolikhet är involverad i kontrollen av uppmärksamhetsresponsen, medan den dorsala delen av denna region av hjärnan inte identifierades vara involverad i en sådan process, även om detta fortfarande är omtvistat. Funktionen hos den dorsala delen av den cingulära hjärnbarken var kopplad till sortering och bearbetning av motstridiga informationssignaler. Dessutom visade neuroimagingstudier också att den främre cingulära cortex deltar i moduleringen av kortikala regioner som är av högre ordning samt sensoriska bearbetningsområden.

Dessa fynd har också bekräftats genom stereotaktisk mikroelektrodanalys av enskilda kortikala neuroner i en studie, som omfattade nio patienter som genomgick bilateral cingulotomi. I studien undersöktes effekten av att utföra uppmärksamhetskrävande uppgifter på aktiviteten hos 36 neuroner belägna i den främre cingulära cortex. Vid analysen av studiens resultat drogs slutsatsen att den främre cingulära hjärnbarken verkligen är involverad i modifieringen av kognitiva uppgifter som kräver uppmärksamhet baserat på det faktum att det fanns en förändring i den basala eldningsfrekvensen hos neuronerna i den regionen under simuleringen av sådana uppgifter.

Neuroimaging avslöjade också olika underregioner i själva den främre cingulära hjärnbarken baserat på deras funktion. Dessa studier visade att den kaudala delen av den främre cingulära hjärnbarken har en viktigare funktion i kognitiva aktiviteter som involverar uppmärksamhet, salighet, interferens och svarskonkurrens. Dessa resultat i kombination med elektrofysiologisk undersökning av funktionen hos neuroner i den främre cingulära cortex har gett insikter som kan användas för att förbättra cingulotomi som utförs på patienter som behandlas för tvångssyndrom. Grunden för denna idé är det faktum att en variation av vissa uppgifter, Emotional Stroop tasks (ES), som särskilt har identifierats ha effekter hos OCD-patienter aktiverar neuroner i den mer rostrala delen av den främre cingulära hjärnbarken. Om bilateral cingulotomi utförs hos en sådan patient i den rostrala främre cingulära hjärnbarken bör därför teoretiskt sett bättre resultat uppnås.

För övrigt har tvångssyndrom förknippats med en missbildning av de basala ganglierna. Funktionen hos denna del av den mänskliga hjärnan har kartlagts så att den består av fiberbanor som är förknippade med många parallella kortiko-striato-thalamokortikala kretsar (CSTC), som är involverade i sensomotoriska, motoriska, okulomotoriska samt de kognitiva processer som manifesteras av det limbiska systemet. Denna väg inbegriper GABAergiska inhibitoriska projektioner som fungerar som ett av kommunikationsmedlen mellan de olika inblandade strukturerna. Man har antagit att vissa former av tvångssyndrom är ett resultat av att en eller flera av de kretsar som verkar i CSTC inte hämmas. Detta indikeras också av ett resultat som visade en signifikant minskning av intrakortikal hämning hos OCD-patienter. Läsioner i den främre cingulära hjärnbarken kan således bidra till att minska avhämningseffekten. Denna teori har bekräftats av en annan studie som bedömde de kortikala hämmande och excitatoriska mekanismerna vid OCD. I studien mättes excitabiliteten i den motoriska cortexen samt intrakortikal hämning hos OCD-patienter och en kontroll av friska individer. Resultaten visade en signifikant minskning av den intrakortikala hämmningen, vilket resulterade i en fördröjning av interstimulusintervallen med 3 ms. Förutom dess närhet till och samhörighet med det limbiska systemet och särskilt amygdala, som spelar en nyckelroll i den känslomässiga upplevelsen, delar den främre cingulära hjärnbarken afferenta och efferenta vägar med ett antal thalamiska kärnor samt den bakre cingulära hjärnbarken och en del av en del av den parietala, frontala och kompletterande motoriska hjärnbarken. Allt detta understryker den höga sannolikheten för att den främre cingulära cortexen måste vara kopplad till OCD.

Funktionella MRT-analyser av den främre cingulära cortexen har också lett till införandet av bilateral cingulotomi för behandling av kronisk smärta. En sådan tillämpning infördes eftersom den främre cingulära cortexen har visat sig vara relaterad till bearbetningen av nociceptiv informationsinmatning. I synnerhet är den främre cingulära cortexens roll i tolkningen av hur ett stimulus påverkar en person snarare än dess faktiska fysiska intensitet.