O tálamo e o hipotálamo, localizados embaixo do cérebro, originam-se do diencéfalo embrionário. O tálamo compõe-se de duas massas ovóides de substancia cinzenta encaixadas na base do cérebro. Todas as mensagens sensoriais, com exceção das provenientes dos receptores de olfato, passam pelo tálamo antes de atingir o córtex cerebral. Acredita-se que a região talâmica atue como uma estação integradora e retransmissora de impulsos nervosos para o córtex cerebral, sendo responsável por seu direcionamento ás áreas apropriadas do cérebro, onde devem ser processadas. O tálamo também exerce um papel importante na regulação do estado de consciência, alerta e atenção.
O hipotálamo é uma estrutura do tamanho aproximado de um grão de ervilha, localizado sob o tálamo. Apesar de relativamente pequeno, ele é uma região encefálica importante na homeostase corporal, isto é, no ajuste do organismo ás variações externas. Por exemplo, é o hipotálamo que controla a temperatura corporal, o apetite e o equilíbrio hídrico do corpo, além de ser o principal centro de expressão emocional e do comportamento sexual. O hipotálamo faz também a integração entre os sistemas nervoso e endócrino, atuando na ativação de diversas glândulas produtoras de hormônios.
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