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尽管存在相似和不同之处，但恐惧和焦虑是两种相互关联的情绪，因为两者都产生于大脑回路，这些回路能够识别对人身心健康存在不利影响的威胁信号，并作出回应。焦虑和恐惧也会引起身体对当前或未来危险的反应，做出搏斗或逃跑的行为，无论此危险是真是存在的还是想象出来的。
美国生理学家沃尔特·B.坎农将“应急反应”定义为自主神经系统在困难环境下（比如面对威胁或其他压力），控制身体作出的生理反应。自主神经系统控制着身体当中不受我们意志所控的“本能”机能（例如心脏的跳动），该系统由两部分组成：交感神经系统和副交感神经系统，它们将神经信号传送给身体的各个组织和器官，调节它们的功能，使它们发挥不同作用。交感神经系统在需要调动体内能量的情况下进行身体控制，例如当生命或健康遇到危险时；而副交感神经系统会抵消交感神经反应，会在危险过去后负责恢复身体内部的平衡（也称为体内平衡）。因此，交感神经系统会控制心率加快、血压升高、出汗增加和瞳孔扩张。另外，在焦虑时，副交感神经系统会引起胃肠道和泌尿系统的相关反应。
交感神经系统发挥作用时，会控制身体将肾上腺素释放到血液中。肾上腺素由内分泌系统释放，该系统由遍布全身的内分泌器官组成，如甲状腺、垂体、睾丸、卵巢和肾上腺等。每种器官都会产生具有不同功能的特定化学物质，也就是激素，它们会被释放到血液中，通过血液达到其需要作用的目标器官。研究表明，肾上腺素和皮质醇的增加可以提高注意力、记忆力、学习能力和解决问题能力。但这两种激素只有在适时、适量释放的时候才会产生这种积极作用，如果释放过量，则会加重紧张和病理性焦虑的程度。
那么，我们的大脑中与焦虑反应有关的具体区域又有哪些呢？
随着遗传学、心理生理学、神经化学和神经影像学的技术进步，我们得以从生物学基础上更好地理解恐惧、焦虑以及相关疾病。
正如我们上文所讲，焦虑会引起身体和精神两个层面的反应，这两个层面的反应涉及不同的神经元回路。参与“恐惧回路”和控制调节焦虑的主要神经解剖区域是丘脑、杏仁核、前额叶皮层和海马体，每个区域都执行特定的功能。
丘脑是连接大脑皮层区和视觉、听觉、触觉系统的主要区域。引起焦虑和恐惧的神经回路会影响这些感觉系统，而大脑皮层区域则参与处理引起焦虑的刺激。大部分引起焦虑和恐惧的刺激信息首先会在感觉皮层中进行处理，然后被发送到涉及身体、情感和行为反应的皮层下结构。
杏仁核在焦虑的调节中起着核心作用，负责控制人们在受到威胁性刺激后所采取的自主反应。它由基底外侧群和皮质内侧群组成，两部分共同发挥作用，管控人们对于压力的情绪反馈和身体的自主反应。杏仁核从丘脑处接收未经处理的刺激信息，赋予其情绪意义，并通过某些核（中央杏仁核、外侧杏仁核以及基地杏仁核）与两条反射通路对恐惧作出反应。其中，较短的通路（短通路）的刺激信息未经皮质的精细加工，自动传递且速度更快，较长的通路（长通路）速度较慢但信息更加丰富。
为了更好地理解这段话，我们可以举个例子。当我们在树林里散步的时候，如果忽然看见草丛里有条蛇，我们的身体会立刻做出自主反应，让我们远远地跑开，这就是短通路在运作。事实上，蛇作为一种刺激，通过视觉通路传至丘脑处接收，丘脑立即将其发送到杏仁核，杏仁核启动身体逃避反应，刺激心跳加速并激活肌肉。同时，长通路也会被激活，将蛇的视觉刺激发送至视觉皮层，以便详细描述其特征并让我们意识到危险，从而对逃生反应进行确认（如图1-2所示）。
图1-2 短通路和长通路的运作过程
前额叶皮层在减弱恐惧引起的反应方面发挥着重要作用，它会在风险和危险结束时向杏仁核发送反馈。
最后我们来看海马体，该结构在焦虑感知中起着重要作用。已有研究表明，海马体的下部（腹侧）负责记忆近期事件或刺激带来的情绪，并提供回忆，形成对于特定事件产生的焦虑。海马体的过度激活会导致特定的事件或刺激与其带来的恐惧和焦虑情绪产生“永久性关联”。换句话说，如果某个事件或刺激被认为是负面的、有威胁的，海马体的下部就会“记住”，因此只要一想到相同的事件或刺激，就会引起焦虑或恐惧的情绪。
需要补充说明的是，对感知到的威胁所采取的反应还会受到其他许多个性化因素的影响，比如个体的生理特点、性格气质、个人经历等。因此皮层对于刺激的分析会受到周围环境以及主观评价的影响。在这种情况下，该区域也会发生下丘脑-垂体-肾上腺轴（HPA轴）作用，参与控制身体自主反应。由“恐惧回路”引起的自主应激反应意味着上述交感神经系统和副交感神经系统的参与。