Aktivita v psím mozku je dnes zmapovaná tak podrobně, že lze sledovat jeho základní emoční stavy. Díky neinvazivním zobrazovacím metodám umějí vědci rozlišit vzorce, které odpovídají radosti, strachu a dalším základním emocím, aniž by se museli spoléhat na řeč těla nebo výpovědi majitelů.
Metody jako funkční magnetická rezonance a elektroencefalografie ukazují, jak se smyslové podněty převádějí v emoční vzrušení v oblastech podobných lidskému limbickému systému. Když pes očekává pamlsek nebo zaslechne hrozbu, určité neuronové skupiny se aktivují typickým způsobem. To naznačuje sdílené nervové okruhy pro odměnu, bdělost i stresovou reakci. Díky těmto měřením mohou vědci emoce popisovat a kvantifikovat přímo, a ne je jen nepřímo odvozovat z chování.
Stejná data ale neukazují přesvědčivé mozkové ukazatele složitějších sociálních emocí, jako jsou vina, stud či zášť. Takzvaný „vinný výraz“ se u psů objevuje i tehdy, když objektivně nic neprovedli. Vypadá to tedy spíš na naučenou reakci na lidské signály než na důkaz morálního uvažování nebo schopnosti připisovat druhým duševní stavy. Současné kognitivní modely předpokládají, že takto vyšší emoce vyžadují pokročilou metakognici a práci se symboly, a psi podle dosavadních poznatků nemají kortikální propojení, které by takovou míru abstrakce umožňovalo.
