Depreende-se da perspectiva evolutiva que o cérebro deve ter evoluído para conter sistemas neurais que ajudam nos processos de coordenação perceptual, fisiológico e comportamental, os quais, seguramente, promovem a sobrevivência em face aos inúmeros perigos com os quais a espécie humana se deparou ao longo de sua jornada evolutiva. Partindo dessa suposição, neurobiologistas entenderam haver várias maneiras de abordar ansiedade. Dentre estes, há alguns que entendem que o lugar natural para buscar entendimento da ansiedade é olhar a biologia molecular, analisando os mecanismos genéticos que transmitem as predisposições biológicas; outros, que acreditam serem os circuitos neurais os melhores lugares para entendê-la; e aqueles que investigam os hormônios e neurotransmissores específicos que subjazem à ansiedade e ao medo.
Nas últimas décadas, um progresso substancial nas pesquisas sobre os substratos neurais da ansiedade e do medo tem aparecido. Pesquisas atuais sugerem que ansiedade não está localizada em qualquer estrutura cerebral específica, mas, possivelmente, em sistemas cerebrais que reagem aos estímulos ameaçadores que modulam outros circuitos cerebrais responsáveis por respostas fisiológicas e comportamentais. Este, conectando ansiedade a um circuito cerebral, emparelha a perspectiva funcional, sugerida pela perspectiva evolutiva, à perspectiva neurobiológica. Assim considerando, ansiedade é um sinal de que o cérebro está analisando e respondendo a uma ameaça ou potencial punição.
Um dos primeiros enfoques neurobiológicos entendia que a ansiedade era gerada por um cérebro visceral (hipocampo, amygdala, septum e hipotálamo), que atualmente é chamado sistema límbico. Estas estruturas límbicas sendo comumente associadas à emoção e motivação, bem como, em termos evolutivos, consideradas mais primitivas que o córtex cerebral, sítio das funções cognitivas mais elevadas como a linguagem e o pensamento. O sistema límbico controlando a experiência subjetiva e as respostas emocionais autônomas, particularmente em ambientes potencialmente estressantes. Sua ativação, por estímulos emocionais, tendo sido associada ao aumento tanto da excitação cortical, quanto ao sistema nervoso autônomo, tal como refletidas nos níveis tônicos elevados do batimento cardíaco, da condução da pele e da pressão sanguínea. Indivíduos de personalidade ansiosa ou neurótica são ditos terem um cérebro visceral, prontamente ativável.
Por outro lado, há pesquisadores que entendem estarem as vias cerebrais, e os múltiplos neurotransmissores, implicados no processo de ansiedade. Por sua vez, as respostas inferiores do sistema endócrino também estando significativamente envolvidas nesse processo. Ansiedade é relacionada, portanto, à atividade do sistema hipotalâmico-pituitário-adrenal-cortical, ativado, este, em face de estímulos estressantes, que levam à secreção de cortisol pelo córtex adrenal. Além disso, o hipocampo pode desempenhar um papel na ansiedade ao processar memórias explícitas das áreas corticais mais elevadas, modulando as respostas da amygdala. O estresse emocional prolongado, por exemplo, podendo destruir neurônios no hipocampo, alterando, com isso, os traços de ansiedade, algumas vezes de forma irreversível. Assim considerando, ao longo do tempo, tanto estresse quanto traços de ansiedade podem diminuir o volume cerebral, produzindo déficits do processamento mnemônico e da habilidade funcional para inibir reações emocionais.
Neurobiologistas, por sua vez, têm descrito a amygdala como a ponte sensorial para as emoções, concebendo que uma das principais funções da mesma seja interromper atividades contínuas, visando ao enriquecimento do processamento de ameaças, suportando respostas rápidas a situações perigosas. Ademais, a amygdala armazena memórias emotivas, podendo modular memórias de outras áreas, ajudando a recuperá-las de forma eficiente e rápida nos momentos de necessidade. Por adição, ela também ativa muitos dos componentes de comportamento de medo, nestes incluindo respiração aumentada, batimento cardíaco, congelamento comportamental e analgesia.
O domínio da neurociência da ansiedade, portanto, talvez seja, hoje, aquele que tem tido o maior impacto para o entendimento compreensível da mesma.