Varios sistema de neurotransmisión han sido involucrados en la patogénesis del TOC. El sistema serotoninérgico (rafe dorsal) es unos de los más relevantes ya que modula la actividad del striatum ventral, de la corteza orbito frontal (OFC), dorsolateral (DLPC) y del cíngulo anterior (ACC) relacionadas con el control inadecuado del comportamiento repetitivo. Por otro lado, el sistema dopaminérgico (área tegmental ventral [VTA] y sustancia nigra compacta [SNc]) relacionado con los mecanismos de reforzamiento, focalización y malinterpretación de la detección de errores cumple un rol importante también (de allí que varios antipsicóticos sean considerados alternativas apropiadas en combinación con ISRS para pacientes con TOC refractario). Otros sistemas involucrados son el glutamatérgico (Glu) y el del GABA. En cuanto a las estructuras involucradas se mencionan: MB, cuerpos mamilares; VA, núcleo ventral anterior del tálamo; MD, núcleo doral medial del tálamo; AN, núcleo anterior del tálamo; VTA, ventral tegmental area.