Existují tři části mozku, které jsou pro kinestetické učení a učení dovedností nejdůležitější. Bazální ganglia, mozková kůra a mozeček hrají stejně důležitou roli ve schopnosti učit se novým dovednostem a zvládat je.
Bazální ganglia jsou souborem ganglií (shluků neuronů), které leží na bázi předního mozku. Bazální ganglia přijímají informace z jiných částí mozku, jako je hipokampus a korové oblasti, které vysílají zprávy o vnějším světě. Většina těchto zpráv je smyslová, to znamená, co člověk fyzicky cítí. Bazální ganglia pak tyto informace interpretují a posílají je na cestu do thalamu a mozkového kmene, které hrají velkou roli při fyzickém pohybu. Bazální ganglia jsou tedy počátkem procesu u někoho, kdo se učí tím, že se učí reagovat na okolní podněty smyslově. Jakmile se nějakou dovednost naučíte, je důležité ji procvičovat. To může změnit způsob, jakým se obvody bazálních ganglií podílejí na provádění dané dovednosti, a že synaptická plasticita je základním nervovým mechanismem, který takové změny umožňuje. Čím více člověk cvičí, tím větší plasticita se u něj rozvíjí.
Mozková kůra je mozková tkáň pokrývající horní a boční část mozku u většiny obratlovců. Podílí se na ukládání a zpracování smyslových vstupů a motorických výstupů. U lidského mozku je mozková kůra vlastně list nervové tkáně silný asi 1/8 palce. Tento list je složený tak, aby se vešel dovnitř lebky. Nervové obvody v této oblasti mozku se s nácvikem nějaké činnosti rozšiřují, stejně jako s nácvikem roste synaptická plasticita. Objasnění některých mechanismů učení pomocí neurověd částečně pokročil díky nástupu neinvazivních zobrazovacích technologií, jako je pozitronová emisní tomografie (PET) a funkční magnetická rezonance (FMRI). Tyto technologie umožnily vědcům přímo pozorovat procesy lidského učení. Díky těmto typům technologií jsme nyní schopni vidět a studovat, co se děje v procesu učení. V různých provedených testech zobrazovaný mozek vykazoval větší průtok krve a aktivaci té oblasti mozku, která byla stimulována různými činnostmi, například poklepáváním prstem v určité sekvenci. Bylo zjištěno, že proces na začátku učení se nové dovednosti probíhá rychle a později se zpomaluje až téměř do roviny. Tento proces lze také označit jako Zákon učení. Pomalejší učení ukázala FMRI, že v mozkové kůře právě v tomto období dochází k dlouhodobému učení, což naznačuje, že strukturální změny v mozkové kůře odrážejí posílení vzpomínek na dovednosti v pozdějších fázích tréninku. Když se člověk učí dovednost delší dobu, ale za kratší dobu, naučí se rychle, ale také si informace uchová pouze do krátkodobé paměti. Stejně jako při studiu na zkoušku; pokud se student snaží naučit všechno večer před zkouškou, z dlouhodobého hlediska si to nezapamatuje. Pokud člověk studuje určitou dovednost kratší dobu, ale častěji a dlouhodobě, jeho mozek si tyto informace uchová mnohem déle, protože se uloží do dlouhodobé paměti. Funkční a strukturální studie mozku odhalily rozsáhlé propojení mezi různými oblastmi mozkové kůry. Například velké množství axonů propojuje zadní smyslové oblasti sloužící zraku, sluchu a hmatu s předními motorickými oblastmi. Neustálá komunikace mezi smyslovým vnímáním a pohybem má smysl, protože aby bylo možné provádět plynulý pohyb prostředím, musí být pohyb neustále integrován s poznatky o okolí získanými prostřednictvím smyslového vnímání. Mozková kůra hraje roli v tom, že to člověku umožňuje.
Mozkovna má zásadní význam pro schopnost člověka nebo zvířete regulovat pohyb. Tato oblast mozku obepíná mozkový kmen a je velmi hustě osazena neurony a nervovými spojeními. Tato část mozku se podílí na časování i na pohybu. Pomáhá při předvídání událostí, zejména při vytváření, provádění a načasování podmíněných reakcí. Mozeček hraje velmi důležitou roli ve všech formách kinestetického učení a motorických funkcí. Pro baletku je důležité, aby dokázala kontrolovat své pohyby a přesně je načasovat pro svou sestavu. Pro fotbalistu je důležité umět regulovat pohyby při běhu házení a mít kontrolu nad tím, kam míč letí, i nad jeho načasováním.
Všechny tyto tři důležité systémy v mozku fungují společně jako tým, přičemž jeden není důležitější než druhý. Spolupracují, aby umožnily reagovat na smyslové události, načasovat, ovládat fyzické akce a další. Je však důležité si uvědomit, že pokud člověk aktivně necvičí, nepomohou mu tyto části mozku dosáhnout plného potenciálu. Změny v mozku, k nimž dochází během učení, zřejmě způsobují, že nervové buňky jsou výkonnější nebo výkonnější. Studie ukázaly, že zvířata chovaná v komplexním prostředí mají větší objem kapilár na jednu nervovou buňku – a tedy větší přísun krve do mozku – než zvířata chovaná v klecích, a to bez ohledu na to, zda zvíře v kleci žilo samo nebo se společníky. Celkově tyto studie zobrazují uspořádaný vzorec zvýšené kapacity mozku, který závisí na zkušenostech.