Funções das estruturas do diencéfalo primário
O tálamo é uma espécie de painel de controle de informações, acredita-se para atuar como um retransmissor entre uma variedade de áreas subcorticais e o córtex cerebral. Em particular, todo sistema sensorial (com exceção do sistema olfatório) inclui um núcleo talâmico que recebe sinais sensoriais e os envia para a área cortical primária associada. O tálamo também desempenha um papel importante na regulação dos estados de sono e vigília. Os núcleos talâmicos têm fortes conexões recíprocas com o córtex cerebral, formando circuitos tálamo-córtico-talâmicos que se acredita estarem envolvidos com a consciência. O tálamo desempenha um papel importante na regulação da excitação, nível de consciência e atividade. Danos ao tálamo podem levar ao coma permanente.
O subtálamo se conecta ao globo pálido, um núcleo basal do telencéfalo. Ele recebe conexões aferentes da substância negra e do estriado e regula os movimentos do músculo esquelético.
O hipotálamo desempenha várias funções vitais (por exemplo, regulação de certos processos metabólicos), a maioria das quais está direta ou indiretamente relacionada à regulação de atividades viscerais por meio de outras regiões do cérebro e do sistema nervoso autônomo. Ele sintetiza e secreta certos neuro-hormônios, freqüentemente chamados de hormônios liberadores do hipotálamo, que por sua vez estimulam ou inibem a secreção de hormônios hipofisários. O hipotálamo controla a temperatura corporal, fome, sede, fadiga, sono e ciclos circadianos.
O epitálamo funciona como uma conexão entre o sistema límbico e outras partes do cérebro. Algumas funções de seus componentes incluem a secreção de melatonina pela glândula pineal (envolvida nos ritmos circadianos) e a regulação das vias motoras e emoções.