Existem três partes do cérebro que são as mais importantes para a aprendizagem cinestésica e de habilidades. Os gânglios basais, o córtex cerebral e o cerebelo desempenham papéis igualmente importantes na capacidade de aprender novas habilidades e dominá-las.
Os gânglios basais são uma coleção de gânglios (aglomerados de neurônios) que se encontram na base do cérebro. Os gânglios basais recebem informações de outras partes do cérebro, como o hipocampo e áreas corticais que enviam mensagens sobre o mundo exterior. A maioria destas mensagens são sensoriais, significando o que uma pessoa está a sentir fisicamente. Os gânglios basais interpretam esta informação e enviam-na por um caminho até ao tálamo e ao tronco cerebral que ambos jogam grandes factores no movimento físico. Portanto, os gânglios basais são o início do processo para que alguém que está aprendendo por fazer responda visceralmente aos estímulos ao seu redor. É importante uma vez que uma habilidade é aprendida para praticá-la. Isto pode mudar a forma como os circuitos dos gânglios basais participam no desempenho dessa habilidade e que a plasticidade sináptica é um mecanismo neural básico que permite tais mudanças. Quanto mais uma pessoa pratica, mais plasticidade ela desenvolve.
O córtex cerebral é o tecido cerebral que cobre o topo e os lados do cérebro na maioria dos vertebrados. Ele está envolvido no armazenamento e processamento de entradas sensoriais e saídas motoras. No cérebro humano, o córtex cerebral é na verdade uma folha de tecido neural de cerca de 1/8 de polegada de espessura. A folha é dobrada para que possa caber no interior do crânio. Os circuitos neurais nesta área do cérebro expandem-se com a prática de uma actividade, tal como a plasticidade sináptica cresce com a prática. O esclarecimento de alguns mecanismos de aprendizagem por neurociência foi avançado, em parte, pelo advento das tecnologias de imagem não invasivas, como a tomografia por emissão de pósitrons (PET) e a ressonância magnética funcional (FMRI). Essas tecnologias têm permitido aos pesquisadores observar diretamente os processos de aprendizagem humana. Através destes tipos de tecnologias, podemos agora ver e estudar o que acontece no processo de aprendizagem. Em diferentes testes realizados o cérebro a ser imitado mostrou um maior fluxo sanguíneo e ativação para essa área do cérebro sendo estimulada através de diferentes atividades, tais como bater os dedos em uma seqüência específica. Foi revelado que o processo no início da aprendizagem de uma nova habilidade acontece rapidamente e, mais tarde, abranda até quase um platô. Este processo também pode ser referido como A Lei da Aprendizagem. O aprendizado mais lento mostrou no FMRI que no córtex cerebral isto era quando o aprendizado a longo prazo estava ocorrendo, sugerindo que as mudanças estruturais no córtex refletem o aprimoramento das memórias de habilidades durante estágios posteriores de treinamento. Quando uma pessoa estuda uma habilidade por um período de tempo mais longo, mas em um período de tempo mais curto ela aprenderá rapidamente, mas também reterá a informação apenas em sua memória de curto prazo. Assim como estudar para um exame; se um aluno tentar aprender tudo na noite anterior, ele não vai ficar no longo prazo. Se uma pessoa estuda uma habilidade por um período de tempo mais curto, mas com mais freqüência e a longo prazo, seu cérebro reterá essa informação por muito mais tempo, uma vez que ela é armazenada na memória a longo prazo. Estudos funcionais e estruturais do cérebro revelaram uma vasta interconectividade entre diversas regiões do córtex cerebral. Por exemplo, grandes números de axônios interconectam as áreas sensoriais posteriores que servem a visão, audição e tato com as regiões motoras anteriores. A comunicação constante entre sensação e movimento faz sentido, porque para executar um movimento suave através do ambiente, o movimento deve ser continuamente integrado com o conhecimento sobre o seu ambiente, obtido através da percepção sensorial. O córtex cerebral desempenha um papel fundamental para que o ser humano possa fazer isso.
O cerebelo é fundamental para que um ser humano ou animal seja capaz de regular o movimento. Esta área do cérebro envolve o tronco cerebral e é muito densamente preenchida por neurônios e conexões neurais. Esta parte do cérebro está envolvida tanto no tempo quanto no movimento. Ela auxilia na previsão de eventos, especialmente na formação, execução e tempo de respostas condicionadas. O cerebelo desempenha um papel muito importante em todas as formas de aprendizagem cinestésica e função motora. Para uma bailarina, é importante ser capaz de controlar os seus movimentos e o tempo certo para a sua rotina. Para um jogador de futebol é importante ser capaz de regular os movimentos ao correr arremessar, e ser capaz de ter controle sobre onde a bola vai, bem como sobre o tempo em que ela vai.
Todos estes três sistemas importantes no cérebro funcionam juntos como uma equipe, um não sendo mais importante do que o outro. Eles trabalham juntos para permitir responder a eventos sensoriais, tempo, controlar ações físicas, e muito mais. Entretanto, é importante lembrar que a menos que uma pessoa esteja praticando ativamente, essas partes do cérebro não a ajudarão a atingir seu potencial máximo. As alterações no cérebro que ocorrem durante a aprendizagem parecem tornar as células nervosas mais eficientes ou poderosas. Estudos têm mostrado que animais criados em ambientes complexos têm um maior volume de capilares por célula nervosa – e portanto um maior suprimento de sangue para o cérebro do que os animais engaiolados, independentemente de o animal engaiolado ter vivido sozinho ou com companheiros. Em geral, estes estudos mostram um padrão orquestrado de aumento de capacidade no cérebro que depende da experiência.