A pajzsmirigyhormonok alapvető fontosságúak a központi idegrendszer perinatális fejlődéséhez és a felnőtt agy működéséhez, elsősorban a specifikus célgének transzkripciójának szabályozásával. Fokozzák a kortikális szerotoninerg transzmissziót, szerepet játszanak a noradrenerg funkciók szabályozásában, és érintik a GABA-funkciót. A csecsemő- és kisgyermekkori hypothyreosis mentális retardációhoz vezet, felnőttkorban a demencia és a depresszió a leggyakoribb, de előfordulhat myxoedemás kóma, cerebellaris és agyidegtünetek, megnő a hajlam a cerebrovascularis kórképekre. A periféria részéről polyneuropathia, carpalis alagút syndroma, myalgia gyakori; ritka szövődmény a myokymia. Csaknem minden hyperthyreotikus betegnél előfordulnak minor pszichiátriai tünetek, ritkábban alakul ki pszichózis, demencia, konfúziós állapot, depresszió, apátiás thyreotoxicosis, thyreotoxikus krízis, epilepszia, pyramistünetek vagy chorea. A periféria részvételét krónikus thyreotoxikus myopathia, infiltratív ophthalmomyopathia, myasthenia gravis, thyreotoxikus periódikus hypokalemiás bénulás és polyneuropathia jelezheti. A figyelemhiányos hiperaktivitásban szenvedők jelentős részénél generalizált pajzsmirigyhormon-rezisztenciát igazoltak. Magas antithyroid antitest titer jellemzi az akut-szubakut indulású, remissziókkal és relapszusokkal jellemezhető, súlyos, életveszélyes, de szteroidra jól reagáló, autoimmun, ritkán előforduló Hashimoto-encephalopathiát.