Reconstruções tridimensionais do crânio e moldes digitais do encéfalo e orelha interna (preenchimento da caixa craniana e as região ótica) do cinodonte Brasilitherium riograndensis, do Triássico do sul do Brasil, foram obtidas a partir de imagens de tomografias computadorizadas. Ademais, são descritos também aspectos caixa craniana e a trajetória de alguns vasos cranianos. Na comparação com outros cinodontes não-mamaliaformes, o molde endocraniano de Brasilitherium indica aumento do encéfalo, especialmente dos bulbos olfatórios, relativamente maiores do que os de outros cinodontes do Triássico, e situa-se em uma seqüência de aumento gradual do canal coclear até os mamíferos atuais, o que pode representar um aumento na capacidade de ouvir altas frequências. Este estudo suporta a proposição da evolução do cérebro dos mamíferos inicialmente associada a pressões seletivas para melhor acuidade sensorial, em pequenos e, possivelmente, noturnos, cinodontes do Mesozóico.