同理心的神经病学
和神经病学的情况一样，研究同理心大脑基础的最早线索来自古怪离奇的病例报告。比如1975年的一份研究报告分析了几个额叶右侧区域受到损伤的病人的案例，病人出现了离奇的退化，尽管他们完全明白别人的话，但他们不能根据别人的声调理解情绪的信息。挖苦的“谢谢”、感激的“谢谢”以及愤怒的“谢谢”对他们而言意思完全一样。与此相对的是，1979年的一份报告提到了右半脑其他区域受损的病人，他们在情绪知觉方面存在完全不同的缺陷。这些病人不能用声调或姿态表达自身的情绪。他们知道自己的感觉，但表达不出来。不同的研究者指出，所有这些大脑皮层区域都与边缘系统有着非常密切的关系。
加利福尼亚理工大学精神病学家莱斯利·布拉泽斯（Leslie Brothers）在一篇关于同理心生物学的研讨论文中，对上述研究进行了文献回顾。布拉泽斯介绍了同理心神经病学的发现以及对动物进行的比较研究，他指出杏仁核及其与视觉皮层的联结区域是形成同理心的关键大脑回路的一部分。
很多相关的神经病学研究以动物尤其是非人灵长类动物为受测者。灵长类动物的同理心（布拉泽斯喜欢把同理心称为“情绪沟通”）不仅是一种趣闻逸事，而且通过实验得到了证实。首先，研究者在恒河猴一听到某种声音的时候就对它们进行电击，训练它们害怕这种声音。然后，教它们学会避免电击，一听到这种声音就推动杠杆。接下来，这些猴子被成对放到独立的笼子里，两只猴子唯一的沟通渠道是闭路电视，它们能通过电视看到对方的脸。研究者只让第一只猴子听到可怕的声音，第一只猴子的脸上出现了害怕的表情。这时第二只猴子通过电视看到了第一只猴子害怕的表情，于是推动杠杆避免电击。猴子的行为如果不是出于利他主义，就是出于同理心。
专家导读
病理学和生物学实验揭示，同理心是天生的。
在证实非人灵长类动物能够根据同伴的面部表情理解其情绪之后，研究者把长而尖的电极棒小心地刺进猴子的大脑。电极棒可以记录大脑视觉皮层和杏仁核单个神经元的活动。结果显示，猴子看到同伴的表情时，有关信息首先激起视觉皮层神经元的反应，然后才是杏仁核的神经元。这条通道正是信息唤起情绪的标准通道。不过令人意外的是，研究者还监测到某些视觉皮层神经元只对特定的面部表情或姿势作出回应，比如带有威胁的血盆大嘴、因为害怕而扭曲的面部或者驯服的蜷缩。这些神经元与同一区域辨别熟悉面孔的其他神经元有所不同。这也许表明造物主从一开始就为大脑设计了对特定的情绪表达作出回应的机制，也就是说，同理心是天生的。
布拉泽斯指出，关于杏仁核和皮层的联系被切断的野生猴子的研究，从另一个方面证实了杏仁核–皮层通道对理解和回应情绪的关键作用。当这些猴子被放生回到猴群之后，它们能够应付一般的任务，比如填饱肚子和爬树。不过这些可怜的猴子完全不知道该如何对同伴作出情绪回应。尽管别的猴子善意地靠近它们，它们还是会逃走，最终独自生活，避免与猴群的联系。
布拉泽斯认为，特定情绪的神经元集中的皮层区域也是与杏仁核联系最为频繁的区域。理解情绪离不开杏仁核–皮层神经回路，它对协调个体作出准确的回应起到关键的作用。布拉泽斯指出，对于非人灵长类动物，“这种机制的保命价值非常重大”。“对其他个体的靠近的觉知，会引发特定的‘心理回应’模式，而且根据对方攻击、安静地休息或求偶的来意迅速作出回应。”
专家导读
如果与对方生理水平同步，同理心的准确度最高。情绪强烈时很难或者不会产生同理心，同理心要求个体保持足够的冷静，才能接受他人微妙的情绪信号。这个原理也揭示了为什么人在冷静下来后会后悔。
加利福尼亚大学伯克利分校心理学家罗伯特·利文森（Robert Levenson）的研究显示，人类同理心的生理基础与此相似。他对已婚夫妇吵架时试图猜测对方心理感受的现象进行了研究。他的方法很简单：把夫妇俩讨论婚姻家庭的某些问题（比如孩子教育、消费习惯等）的场景拍摄成录像，并测量他们的生理反应。然后让他们看录像并讲述自己当时的感受。最后让他们再看一次录像，并试图理解对方的感受。
与配偶的生理水平同步的丈夫或妻子，同理心的准确度最高。也就是说，当对方不断地冒汗时，他们也会冒汗；当对方心率下降时，他们的心跳也变慢了。简而言之，他们的身体时时刻刻都在模仿配偶微妙的身体反应。在最初的互动期间，如果观看者的生理模式只是不断地自我重复，他们就很难揣测配偶的感受。只有在身体反应同步的情况下才会产生同理心。
这说明在情绪脑以强烈的反应驱动身体时，比如发火的时候，很少或者不会产生同理心。同理心要求个体保持足够的冷静和感受力，以便情绪脑接收和模仿他人微妙的情绪信号。