Az agynak három olyan része van, amely a legfontosabb a kinesztetikus és a készségtanulás szempontjából. A bazális ganglionok, az agykéreg és a kisagy egyaránt fontos szerepet játszanak az új készségek megtanulásának és elsajátításának képességében.
A bazális ganglionok az előagy tövében elhelyezkedő ganglionok (idegsejtek csoportjai) gyűjteménye. A bazális ganglionok fogadják az információkat az agy más részeiből, például a hippokampuszból és az agykérgi területekről, amelyek üzeneteket küldenek a külvilágról. Ezen üzenetek többsége szenzoros, vagyis azt jelenti, hogy mit érez az ember fizikailag. A bazális ganglionok ezt követően értelmezik ezeket az információkat, és továbbítják azokat a talamuszba és az agytörzsbe, amelyek mindketten nagy szerepet játszanak a fizikai mozgásban. Ezért a bazális ganglionok jelentik annak a folyamatnak a kezdetét, amelynek során valaki megtanulja, hogy zsigeri módon reagáljon az őt körülvevő ingerekre. Fontos, hogy miután egy készséget megtanultunk, gyakoroljuk azt. Ez megváltoztathatja, hogy a bazális ganglionok áramkörei hogyan vesznek részt az adott készség végrehajtásában, és hogy a szinaptikus plaszticitás egy alapvető neurális mechanizmus, amely lehetővé teszi az ilyen változásokat. Minél többet gyakorol valaki, annál több plaszticitás fejlődik ki.
Az agykéreg a legtöbb gerinces állatnál az agy felső és oldalsó részét borító agyszövet. Részt vesz az érzékszervi bemenetek és a motoros kimenetek tárolásában és feldolgozásában. Az emberi agyban az agykéreg valójában egy körülbelül 1/8 hüvelyk vastagságú idegszöveti lap. A lapot összehajtják, hogy elférjen a koponya belsejében. Az agynak ezen a területén lévő idegi áramkörök egy tevékenység gyakorlásával bővülnek, ahogyan a szinaptikus plaszticitás is növekszik a gyakorlással. A tanulás egyes mechanizmusainak tisztázását az idegtudományok részben a nem invazív képalkotó technológiák, például a pozitronemissziós tomográfia (PET) és a funkcionális mágneses rezonancia képalkotás (FMRI) megjelenése segítette elő. Ezek a technológiák lehetővé tették a kutatók számára az emberi tanulási folyamatok közvetlen megfigyelését. Az ilyen típusú technológiák révén ma már képesek vagyunk látni és tanulmányozni, hogy mi történik a tanulás folyamata során. A különböző elvégzett tesztek során a leképezett agy nagyobb véráramlást és aktivációt mutatott az agy azon területén, amelyet különböző tevékenységekkel, például az ujjak meghatározott sorrendben történő kopogtatásával stimuláltak. Kiderült, hogy egy új készség elsajátításának kezdetén a folyamat gyorsan zajlik, majd később lelassul, és szinte platóvá válik. Ezt a folyamatot a tanulás törvényének is nevezhetjük. A lassúbb tanulás azt mutatta az FMRI, hogy az agykéregben ekkor zajlik a hosszú távú tanulás, ami arra utal, hogy az agykéregben bekövetkező szerkezeti változások a készségemlékek felerősödését tükrözik a gyakorlás későbbi szakaszaiban. Ha valaki hosszabb ideig, de rövidebb idő alatt tanul egy készséget, akkor gyorsan tanul, de az információt is csak a rövid távú memóriájában tartja meg. Akárcsak a vizsgára való tanulás; ha egy diák mindent előző este próbál megtanulni, az hosszú távon nem fog megmaradni. Ha valaki rövidebb ideig, de gyakrabban és hosszú távon tanul egy készséget, akkor az agya sokkal tovább fogja megtartani ezt az információt, mivel az a hosszú távú memóriában tárolódik. Az agy funkcionális és strukturális vizsgálatai hatalmas összekapcsoltságot tártak fel az agykéreg különböző régiói között. Például nagyszámú axon köti össze a látást, hallást és tapintást szolgáló hátsó érzékszervi területeket az elülső motoros régiókkal. Az érzékelés és a mozgás közötti folyamatos kommunikációnak van értelme, mivel a környezetben való zökkenőmentes mozgáshoz a mozgást folyamatosan integrálni kell a környezetről az érzékszervi észlelésen keresztül szerzett tudással. Az agykéreg szerepet játszik abban, hogy az ember képes legyen erre.
A kisagy döntő fontosságú ahhoz, hogy az ember vagy az állat képes legyen szabályozni a mozgást. Az agynak ez a területe az agytörzset öleli körül, és nagyon sűrűn van tele neuronokkal és idegi kapcsolatokkal. Az agynak ez a része részt vesz az időzítésben és a mozgásban is. Segít az események előrejelzésében, különösen a kondicionált válaszok kialakításában, végrehajtásában és időzítésében. A kisagy nagyon fontos szerepet játszik a kinesztetikus tanulás és a motoros működés minden formájában. Egy balerina számára fontos, hogy képes legyen kontrollálni a mozgását, és pontosan tudja időzíteni azt a gyakorlatához. Egy futballista számára fontos, hogy képes legyen szabályozni a mozgást futáskor, dobáskor, és képes legyen kontrollálni, hogy hova megy a labda, valamint annak időzítését.
Az agy mindhárom fontos rendszere együtt, csapatként működik, egyik sem fontosabb a másiknál. Együtt dolgoznak, hogy lehetővé tegyék az érzékszervi eseményekre való reagálást, az időzítést, a fizikai cselekvések irányítását és még sok mást. Fontos azonban megjegyezni, hogy ha valaki nem gyakorol aktívan, akkor az agy ezen részei nem segítik őt abban, hogy teljes mértékben kiaknázza a benne rejlő lehetőségeket. Az agyban a tanulás során bekövetkező változások úgy tűnik, hogy az idegsejteket hatékonyabbá vagy erősebbé teszik. Vizsgálatok kimutatták, hogy a komplex környezetben nevelt állatoknál nagyobb mennyiségű kapilláris jutott egy idegsejtre – és így nagyobb volt az agy vérellátása -, mint a ketrecben tartott állatoknál, függetlenül attól, hogy a ketrecben tartott állat egyedül vagy társakkal élt. Összességében ezek a vizsgálatok az agy megnövekedett kapacitásának a tapasztalatoktól függő, összehangolt mintázatát mutatják.