Khi xem xét các nghiên cứu chụp quét não cho thấy sự phân bổ của ToM,
các nhà thần kinh học Gallagher và Christopher Frith đến từ Đại học
Glasgow đã kết luận có ba vùng não bộ luôn được kích thích khi cần đến
ToM: vùng đai phía trước, rãnh thái dương trên và thùy thái dương ở cả hai
bên. Hai khu vực não bộ đầu tiên có liên quan đến việc xử lý các thông tin
về hành vi tường minh, như nhận thức về các hành vi có chủ ý của các sinh
vật khác – thí dụ, “Con sói định ăn thịt tôi.” Hai thùy thái dương có vai trò
khôi phục lại từ kí ức các trải nghiệm cá nhân, thí dụ: “Lần cuối cùng gặp
chó sói, nó suýt ăn thịt tôi.” Cả ba vùng này đều cần thiết cho ToM.
Gallagher và Frith khẳng định vùng đai phía trước nằm ngay sau trán là
trung khu của hệ thống ToM. Thực chất, đó là một hệ thống tự động cao,
tham gia vào các hoạt động cụ thể liên quan đến người khác, nhất là trong
các hoàn cảnh xã hội. Có thể nó đã tiến hóa từ một số hệ thống thần kinh
tồn tại từ trước dành cho các hoạt động có liên quan, thí dụ như khả năng
phân biệt các sự vật động và bất động, nắm bắt ý định của người khác qua
ánh mắt, phân biệt hành động của bản thân và người khác và phản ánh các
hành động có mục đích. Tất cả các chức năng này đều là nền tảng đối với
sự tồn tại của các loài động vật xã hội, do đó Lý thuyết tâm hồn có nhiều
nét tương đồng với sự thích nghi từ trước – một đặc điểm được lựa chọn vì
một mục đích khác với mục đích tiến hóa đầu tiên.
Một số nghiên cứu về não bộ cụ thể đã củng cố quan điểm này. Trong một
thí nghiệm quét fMRI năm 1998, những người tham gia được quan sát hai
cử động tay khác nhau, một cử động không có ngữ cảnh còn một cử động
được đặt trong ngữ cảnh làm nổi bật ý định của chủ thể. Hình ảnh sau đã
kích thích hệ thống thần kinh phản chiếu của người xem, cho thấy nơi ToM
được phân bổ trên bộ não. Năm 2005, một thí nghiệm rất thông minh đã
được tiến hành, người ta cho những con khỉ quan sát một người cầm một
vật bỏ vào cốc hoặc cầm một quả táo đưa lên miệng – cùng một hành động
nhưng với ý định khác nhau. Khi ghi lại 41 tế bào thần kinh tại thùy đỉnh
dưới của bộ não khỉ, người ta nhận thấy động tác “cầm lên ăn” đã kích thích
15 tế bào thần kinh phản chiếu, song các tế bào này hoàn toàn im lặng khi
