Efek PTSD pada otak tampaknya menunjukkan bahwa ada dasar biologis untuk gejala gangguan ini. Para ilmuwan percaya bahwa pengalaman trauma psikologis yang ekstrim dapat menyebabkan perubahan fisik di otak. Ada kemungkinan, bagaimanapun, bahwa perbedaan yang melekat pada struktur dan fungsi otak membuat beberapa orang rentan terhadap PTSD. Efek PTSD pada otak sebagian besar terjadi di amigdala, bagian otak yang membantu mengendalikan emosi. Hippcampus, lobus prefrontal, dan korteks prefrontal dapat mengalami kerusakan karena pengalaman traumatis, dan beberapa ahli percaya bahwa efek PTSD pada otak termasuk perubahan cara otak menggunakan neurotransmiter tertentu, seperti dopamin, serotonin, dan noradrenalin.
Salah satu efek utama PTSD pada otak dapat ditemukan di amigdala. Seiring dengan korteks prefrontal, amigdala biasanya bertanggung jawab untuk membantu mengendalikan emosi. Pada beberapa penderita PTSD, amigdala justru tumbuh lebih besar, yang bisa mengindikasikan adanya respons emosional yang berlebihan di otak. Perubahan cara otak menggunakan neurotransmiter setelah mengalami trauma dapat menyebabkan penurunan fungsi korteks prefrontal, yang biasanya juga membantu mengendalikan emosi, terutama perasaan takut. Para ahli percaya bahwa perubahan pasca-trauma dalam fungsi korteks prefrontal dapat terjadi karena peningkatan kadar neurotransmitter dopamin, yang biasanya dikeluarkan oleh otak ketika tingkat kewaspadaan dan kehati-hatian yang tinggi diperlukan.
Banyak penderita PTSD mengalami keadaan emosional yang mati rasa setelah timbulnya gejala. Para ahli percaya ini mungkin karena peningkatan kadar neurotransmiter yang bertanggung jawab untuk menghilangkan rasa sakit. Efek PTSD pada otak juga dapat mencakup penurunan kemampuan untuk menggunakan neurotransmitter serotonin, yang umumnya bertanggung jawab atas perasaan sejahtera. Ini bisa menjelaskan mengapa perasaan tertekan sering menyertai PTSD.
Hippocampus, yang biasanya bertanggung jawab untuk memproses dan menyimpan ingatan, juga dapat mengalami perubahan karena efek PTSD pada otak. Para ahli telah menemukan bahwa banyak orang dengan gejala PTSD memiliki hipokampus yang lebih kecil dari biasanya. Satu teori menyatakan bahwa hippocampus sebenarnya bisa mengecil selama peristiwa stres, karena kerusakan yang dilakukan oleh hormon stres kortisol. Teori lain menyatakan bahwa seseorang yang mengembangkan PTSD mungkin memiliki hippocampus yang sangat kecil untuk memulai.
Mereka dengan PTSD sering mengalami kesulitan mengumpulkan pikiran mereka dan mengekspresikan diri. Efek PTSD pada otak mungkin termasuk kerusakan pada lobus prefrontal, area otak yang biasanya mengatur ucapan dan ekspresi diri. Peningkatan kadar noradrenalin di otak dapat menjelaskan terjadinya reaksi kejut fisik yang intens pada penderita PTSD, karena neurotransmitter ini biasanya menginduksi respons “lawan atau lari” terhadap situasi stres.