Es gibt drei Teile des Gehirns, die für das kinästhetische Lernen und das Erlernen von Fähigkeiten am wichtigsten sind. Die Basalganglien, die Großhirnrinde und das Kleinhirn spielen alle eine gleich wichtige Rolle bei der Fähigkeit, neue Fertigkeiten zu erlernen und zu beherrschen.
Die Basalganglien sind eine Ansammlung von Ganglien (Neuronenbündeln), die an der Basis des Vorderhirns liegen. Die Basalganglien empfangen Informationen aus anderen Teilen des Gehirns wie dem Hippocampus und kortikalen Bereichen, die Nachrichten über die Außenwelt senden. Die meisten dieser Botschaften sind sensorischer Natur, d. h. es geht darum, was eine Person körperlich empfindet. Die Basalganglien interpretieren diese Informationen und leiten sie an den Thalamus und den Hirnstamm weiter, die beide eine wichtige Rolle bei der körperlichen Bewegung spielen. Die Basalganglien stehen also am Anfang des Prozesses, mit dem jemand lernt, visuell auf die Reize um ihn herum zu reagieren. Sobald eine Fähigkeit erlernt ist, ist es wichtig, sie zu üben. Dadurch kann sich ändern, wie die Schaltkreise der Basalganglien an der Ausführung dieser Fähigkeit beteiligt sind, und die synaptische Plastizität ist ein grundlegender neuronaler Mechanismus, der solche Änderungen ermöglicht. Je mehr eine Person übt, desto mehr Plastizität entwickelt sie.
Die Großhirnrinde ist das Gehirngewebe, das bei den meisten Wirbeltieren den oberen und seitlichen Teil des Gehirns bedeckt. Sie ist an der Speicherung und Verarbeitung von Sinneseindrücken und motorischen Leistungen beteiligt. Beim menschlichen Gehirn ist die Großhirnrinde eine etwa 1/8 Zoll dicke Schicht aus Nervengewebe. Die Platte ist so gefaltet, dass sie in den Schädel passt. Die neuronalen Schaltkreise in diesem Bereich des Gehirns erweitern sich mit der Ausübung einer Tätigkeit, so wie auch die synaptische Plastizität mit der Übung wächst. Die Klärung einiger Lernmechanismen durch die Neurowissenschaften wurde zum Teil durch das Aufkommen nicht-invasiver Bildgebungstechnologien wie der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und der funktionellen Magnetresonanztomographie (FMRI) vorangetrieben. Diese Technologien haben es den Forschern ermöglicht, menschliche Lernprozesse direkt zu beobachten. Mit Hilfe dieser Technologien können wir nun sehen und untersuchen, was beim Lernen geschieht. In verschiedenen Tests zeigte sich, dass das abgebildete Gehirn einen stärkeren Blutfluss und eine stärkere Aktivierung in dem Bereich des Gehirns aufweist, der durch verschiedene Aktivitäten wie z. B. das Tippen mit dem Finger in einer bestimmten Reihenfolge stimuliert wird. Es hat sich gezeigt, dass der Prozess zu Beginn des Erlernens einer neuen Fähigkeit schnell abläuft und sich später fast auf ein Plateau verlangsamt. Dieser Prozess kann auch als das Gesetz des Lernens bezeichnet werden. Das langsamere Lernen zeigte in der fMRT, dass in der Großhirnrinde zu diesem Zeitpunkt das langfristige Lernen stattfand, was darauf hindeutet, dass die strukturellen Veränderungen in der Großhirnrinde die Verbesserung des Gedächtnisses für die Fertigkeiten in späteren Phasen des Trainings widerspiegeln. Wenn eine Person eine Fähigkeit länger, aber in kürzerer Zeit lernt, lernt sie schnell, behält die Informationen aber auch nur im Kurzzeitgedächtnis. Das ist wie beim Lernen für eine Prüfung: Wenn ein Schüler versucht, alles am Vorabend zu lernen, wird er es auf Dauer nicht behalten. Wenn eine Person eine Fähigkeit kürzer, aber häufiger und langfristig lernt, wird ihr Gehirn diese Informationen viel länger behalten, da sie im Langzeitgedächtnis gespeichert werden. Funktionelle und strukturelle Untersuchungen des Gehirns haben gezeigt, dass zwischen verschiedenen Regionen der Großhirnrinde eine enorme Interkonnektivität besteht. So verbinden beispielsweise eine große Anzahl von Axonen die hinteren sensorischen Bereiche, die für das Sehen, Hören und Tasten zuständig sind, mit den vorderen motorischen Regionen. Die ständige Kommunikation zwischen Empfindung und Bewegung ist sinnvoll, denn um eine reibungslose Bewegung durch die Umwelt ausführen zu können, muss die Bewegung kontinuierlich mit dem Wissen über die Umgebung, das man durch die Sinneswahrnehmung erlangt hat, integriert werden. Die Großhirnrinde trägt dazu bei, dass der Mensch dies tun kann.
Das Kleinhirn ist entscheidend für die Fähigkeit eines Menschen oder Tieres, Bewegungen zu regulieren. Dieser Bereich des Gehirns wickelt sich um den Hirnstamm und ist sehr dicht mit Neuronen und neuronalen Verbindungen gepackt. Dieser Teil des Gehirns ist sowohl an der Zeitplanung als auch an der Bewegung beteiligt. Er hilft bei der Vorhersage von Ereignissen, insbesondere bei der Bildung, Ausführung und zeitlichen Abstimmung von konditionierten Reaktionen. Das Kleinhirn spielt bei allen Formen des kinästhetischen Lernens und der Motorik eine sehr wichtige Rolle. Für eine Ballerina ist es wichtig, dass sie ihre Bewegungen kontrollieren kann und den richtigen Zeitpunkt für ihre Kür findet. Für einen Fußballspieler ist es wichtig, die Bewegung beim Laufen und Werfen zu regulieren und die Kontrolle darüber zu haben, wohin der Ball fliegt, sowie das richtige Timing zu haben.
Alle drei dieser wichtigen Systeme im Gehirn arbeiten als Team zusammen, wobei keins wichtiger ist als das andere. Sie arbeiten zusammen, um die Reaktion auf Sinneseindrücke, das Timing, die Steuerung körperlicher Aktionen und vieles mehr zu ermöglichen. Es ist jedoch wichtig, daran zu denken, dass diese Teile des Gehirns nur dann ihr volles Potenzial entfalten können, wenn eine Person aktiv übt. Veränderungen im Gehirn, die beim Lernen auftreten, scheinen die Nervenzellen effizienter oder leistungsfähiger zu machen. Studien haben gezeigt, dass Tiere, die in einer komplexen Umgebung aufwuchsen, ein größeres Volumen an Kapillaren pro Nervenzelle – und damit eine bessere Durchblutung des Gehirns – aufwiesen als Tiere, die in Käfigen gehalten wurden, unabhängig davon, ob die Tiere allein oder mit Artgenossen lebten. Insgesamt zeigen diese Studien ein orchestriertes Muster erhöhter Kapazität im Gehirn, das von der Erfahrung abhängt.