유두엽(Mammillary body)은 뇌의 간뇌(diencephalon)에 위치한 시상하부(hypothalamus)의 가장 뒷부분에 있는 작고 둥근 한 쌍의 신경핵 집합체이다. 그 모양이 젖꼭지(유두)와 비슷하게 돌출되어 있어 이러한 이름이 붙었다. 뇌의 밑면, 뇌줄기(brainstem)가 시작되는 부위 근처에 자리 잡고 있으며, 대뇌반구의 깊은 곳에 있는 변연계(limbic system)의 핵심적인 구성 요소 중 하나이다.

해부학적으로 유두엽은 안쪽유두핵(medial mammillary nucleus)과 가쪽유두핵(lateral mammillary nucleus)으로 나뉜다. 이 구조물은 뇌의 다른 주요 부위들과 복잡한 신경 회로를 형성하고 있다. 주로 해마(hippocampus)에서 출발하는 신경섬유다발인 뇌궁(fornix)을 통해 시각적, 청각적, 후각적 정보 등 다양한 감각 및 기억 관련 신호를 전달받는다. 이렇게 들어온 정보는 유두시상로(mammillothalamic tract)를 거쳐 시상의 앞핵(anterior nucleus of thalamus)으로 보내지며, 최종적으로 대뇌피질의 대상회(cingulate gyrus)로 전달된다.

유두엽의 가장 중요한 기능은 기억의 형성과 인출, 특히 일화적 기억(episodic memory)과 공간 기억(spatial memory)의 처리에 관여하는 것이다. 유두엽은 감정과 기억을 조절하는 뇌의 폐쇄 신경 회로인 '파페츠 회로(Papez circuit)'의 필수적인 중간 정거장 역할을 한다. 해마에서 생성된 단기 기억 정보가 장기 기억으로 전환되고 뇌의 여러 부위로 통합되는 과정에서 유두엽이 중요한 중계소 기능을 수행하므로, 이 부위가 손상되면 새로운 기억을 형성하는 데 심각한 장애가 발생한다.

임상적으로 유두엽의 손상은 '베르니케-코르사코프 증후군(Wernicke-Korsakoff syndrome)'과 깊은 관련이 있다. 이 증후군은 주로 만성 알코올 중독이나 심각한 영양 결핍으로 인해 비타민 B1(티아민)이 부족해질 때 발생하며, 이때 유두엽의 신경세포가 위축되고 양측성으로 파괴되는 현상이 뚜렷하게 관찰된다. 유두엽이 손상된 환자는 발병 이전의 기억은 비교적 잘 유지하지만, 새로운 정보를 기억하지 못하는 순행성 기억상실증(anterograde amnesia)을 보이며, 기억나지 않는 부분을 무의식적으로 지어내어 말하는 작화증(confabulation) 증상을 나타내기도 한다.

기억 외에도 유두엽은 시상하부의 일원으로서 자율신경계 및 내분비계의 조절에 간접적으로 관여하며, 후각 정보의 처리와 정서적 반응을 연결하는 데에도 일정 부분 기여하는 것으로 알려져 있다. 신경과학 연구에 따르면 유두엽 내의 특정 신경세포들은 공간에서 머리가 향하는 방향을 인지하는 '머리 방향 세포(head direction cells)'의 네트워크와 연관되어 있어, 생명체가 공간을 탐색하고 목적지를 찾아가는 내비게이션 기능에도 필수적인 역할을 수행한다.