Hay tres partes del cerebro que son las más importantes para el aprendizaje cinestésico y de habilidades. Los ganglios basales, la corteza cerebral y el cerebelo desempeñan papeles igualmente importantes en la capacidad de aprender nuevas habilidades y dominarlas.
Los ganglios basales son un conjunto de ganglios (grupos de neuronas) que se encuentran en la base del cerebro anterior. Los ganglios basales reciben información de otras partes del cerebro, como el hipocampo y las áreas corticales que envían mensajes sobre el mundo exterior. La mayoría de estos mensajes son sensoriales, es decir, lo que la persona siente físicamente. Los ganglios basales interpretan esta información y la envían al tálamo y al tronco encefálico, que desempeñan un papel importante en el movimiento físico. Por lo tanto, los ganglios basales son el inicio del proceso para que alguien que está aprendiendo a hacer responda visceralmente a los estímulos que le rodean. Una vez aprendida una habilidad, es importante practicarla. Esto puede cambiar la forma en que los circuitos de los ganglios basales participan en la ejecución de esa habilidad y que la plasticidad sináptica es un mecanismo neural básico que permite esos cambios. Cuanto más practica una persona, más plasticidad desarrolla.
La corteza cerebral es el tejido cerebral que cubre la parte superior y los lados del cerebro en la mayoría de los vertebrados. Participa en el almacenamiento y el procesamiento de las entradas sensoriales y las salidas motoras. En el cerebro humano, la corteza cerebral es en realidad una lámina de tejido neural de aproximadamente 1/8 de pulgada de grosor. La lámina está doblada para que pueda caber dentro del cráneo. Los circuitos neuronales de esta zona del cerebro se amplían con la práctica de una actividad, al igual que la plasticidad sináptica crece con la práctica. El esclarecimiento de algunos de los mecanismos del aprendizaje por parte de la neurociencia ha avanzado, en parte, gracias a la aparición de tecnologías de imagen no invasivas, como la tomografía por emisión de positrones (PET) y la resonancia magnética funcional (FMRI). Estas tecnologías han permitido a los investigadores observar directamente los procesos de aprendizaje humanos. Gracias a este tipo de tecnologías, ahora podemos ver y estudiar lo que ocurre en el proceso de aprendizaje. En diferentes pruebas realizadas, el cerebro al que se le tomaban imágenes mostraba un mayor flujo sanguíneo y una mayor activación en la zona del cerebro que se estimulaba a través de diferentes actividades, como el golpeteo de los dedos en una secuencia específica. Se ha revelado que el proceso al principio del aprendizaje de una nueva habilidad ocurre rápidamente, y más tarde se ralentiza hasta casi una meseta. Este proceso también se conoce como la Ley del Aprendizaje. El aprendizaje más lento mostró en la RMF que en la corteza cerebral era cuando se producía el aprendizaje a largo plazo, lo que sugiere que los cambios estructurales en la corteza reflejan la mejora de los recuerdos de la habilidad durante las etapas posteriores del entrenamiento. Cuando una persona estudia una habilidad durante más tiempo, pero en menos tiempo, aprenderá rápidamente, pero también sólo retendrá la información en su memoria a corto plazo. Al igual que cuando se estudia para un examen, si un estudiante intenta aprenderlo todo la noche anterior, no lo retendrá a largo plazo. Si una persona estudia una habilidad durante menos tiempo, pero con más frecuencia y a largo plazo, su cerebro retendrá esta información mucho más tiempo, ya que se almacena en la memoria a largo plazo. Los estudios funcionales y estructurales del cerebro han revelado una gran interconectividad entre diversas regiones de la corteza cerebral. Por ejemplo, un gran número de axones interconectan las áreas sensoriales posteriores que sirven para la visión, la audición y el tacto con las regiones motoras anteriores. La comunicación constante entre la sensación y el movimiento tiene sentido, porque para ejecutar un movimiento fluido a través del entorno, el movimiento debe integrarse continuamente con el conocimiento del entorno obtenido a través de la percepción sensorial. La corteza cerebral desempeña un papel que permite a los seres humanos hacer esto.
El cerebelo es fundamental para que un ser humano o un animal sea capaz de regular el movimiento. Esta zona del cerebro envuelve el tronco encefálico y está muy densamente poblada de neuronas y conexiones neuronales. Esta parte del cerebro interviene tanto en la sincronización como en el movimiento. Ayuda a predecir acontecimientos, especialmente en la formación, ejecución y sincronización de respuestas condicionadas. El cerebelo desempeña un papel muy importante en todas las formas de aprendizaje cinestésico y función motora. Para una bailarina, es importante ser capaz de controlar sus movimientos y cronometrarlos exactamente para su rutina. Para un jugador de fútbol es importante ser capaz de regular el movimiento cuando corre lanzando, y ser capaz de tener control sobre dónde va la pelota, así como el tiempo de la misma.
Todos estos tres importantes sistemas en el cerebro funcionan juntos como un equipo, uno no es más importante que el otro. Trabajan juntos para permitir la respuesta a los eventos sensoriales, la sincronización, el control de las acciones físicas, y más. Sin embargo, es importante recordar que, a menos que una persona practique activamente, estas partes del cerebro no le ayudarán a alcanzar su máximo potencial. Las alteraciones que se producen en el cerebro durante el aprendizaje parecen hacer que las células nerviosas sean más eficaces o potentes. Los estudios han demostrado que los animales criados en entornos complejos tienen un mayor volumen de capilares por célula nerviosa -y, por tanto, un mayor suministro de sangre al cerebro- que los animales enjaulados, independientemente de si el animal enjaulado vivía solo o con compañeros. En general, estos estudios describen un patrón orquestado de mayor capacidad en el cerebro que depende de la experiencia.