Er zijn drie delen van de hersenen die het belangrijkst zijn voor kinesthetisch en vaardigheidsleren. De basale ganglia, de hersenschors en het cerebellum spelen alle een even belangrijke rol bij het vermogen om nieuwe vaardigheden te leren en onder de knie te krijgen.
De basale ganglia zijn een verzameling ganglia (clusters van neuronen) die aan de basis van de voorhersenen liggen. De basale ganglia ontvangen informatie van andere delen van de hersenen, zoals de hippocampus en corticale gebieden die berichten over de buitenwereld verzenden. De meeste van deze boodschappen zijn zintuiglijk, d.w.z. wat een persoon lichamelijk voelt. De basale ganglia interpreteren deze informatie en sturen ze door naar de thalamus en de hersenstam, die beide een grote rol spelen bij de fysieke beweging. Daarom zijn de basale ganglia het begin van het proces voor iemand die leert-door-doen om visceraal te reageren op de stimuli om hem heen. Het is belangrijk om, als een vaardigheid eenmaal is aangeleerd, deze te oefenen. Dit kan de manier veranderen waarop de circuits van de basale ganglia deelnemen aan de uitvoering van die vaardigheid en dat synaptische plasticiteit een fundamenteel neuraal mechanisme is dat dergelijke veranderingen mogelijk maakt. Hoe meer iemand oefent, hoe meer plasticiteit hij ontwikkelt.
De hersenschors is het hersenweefsel dat bij de meeste gewervelde dieren de boven- en zijkant van de hersenen bedekt. Het is betrokken bij de opslag en verwerking van zintuiglijke inputs en motorische outputs. In het menselijk brein is de hersenschors in feite een vel neuraal weefsel van ongeveer 1/8 inch dik. Het vel is zo gevouwen dat het in de schedel past. De neurale circuits in dit deel van de hersenen breiden zich uit met het beoefenen van een activiteit, net zoals de synaptische plasticiteit groeit met beoefening. De opheldering van sommige leermechanismen door de neurowetenschap is gedeeltelijk bevorderd door de komst van niet-invasieve beeldvormingstechnologieën, zoals positronemissietomografie (PET) en functionele magnetische resonantiebeeldvorming (FMRI). Deze technologieën hebben onderzoekers in staat gesteld menselijke leerprocessen rechtstreeks te observeren. Door dit soort technologieën zijn wij nu in staat te zien en te bestuderen wat er tijdens het leerproces gebeurt. Bij verschillende proeven die werden uitgevoerd, vertoonden de hersenen die in beeld werden gebracht een grotere bloedstroom en activering naar dat deel van de hersenen dat werd gestimuleerd door verschillende activiteiten, zoals het tikken met de vingers in een specifieke volgorde. Het is gebleken dat het proces in het begin van het leren van een nieuwe vaardigheid snel verloopt, en later vertraagt tot bijna een plateau. Dit proces kan ook worden aangeduid als de Wet van het Leren. Het langzamer leren toonde in de FMRI aan dat in de hersenschors dit het moment was waarop het leren op lange termijn plaatsvond, wat suggereert dat de structurele veranderingen in de cortex de verbetering van het geheugen van de vaardigheid tijdens latere stadia van de training weerspiegelen. Wanneer iemand een vaardigheid voor een langere tijd bestudeert, maar in een kortere tijd, zal hij snel leren, maar ook de informatie alleen in zijn kortetermijngeheugen vasthouden. Net als studeren voor een examen; als een student probeert om alles de avond ervoor te leren, zal het op de lange termijn niet beklijven. Als een persoon een vaardigheid voor een kortere duur bestudeert, maar vaker en op lange termijn, zullen zijn hersenen deze informatie veel langer vasthouden omdat het wordt opgeslagen in het langetermijngeheugen. Functionele en structurele studies van de hersenen hebben een enorme interconnectiviteit tussen verschillende regio’s van de hersenschors aan het licht gebracht. Bijvoorbeeld, grote aantallen axonen verbinden de achterste zintuiglijke gebieden voor zicht, gehoor en tast met de voorste motorische gebieden. Constante communicatie tussen gevoel en beweging is zinvol, want om soepel door de omgeving te kunnen bewegen, moet beweging voortdurend worden geïntegreerd met kennis over de omgeving die via zintuiglijke waarneming is verkregen. De hersenschors speelt een rol om de mens in staat te stellen dit te doen.
Het cerebellum is van cruciaal belang voor het vermogen van een mens of dier om bewegingen te kunnen reguleren. Dit deel van de hersenen ligt rond de hersenstam en is zeer dicht bezet met neuronen en neurale verbindingen. Dit deel van de hersenen is betrokken bij zowel timing als beweging. Het helpt bij het voorspellen van gebeurtenissen, vooral bij de vorming, uitvoering en timing van geconditioneerde reacties. Het cerebellum speelt een zeer belangrijke rol bij alle vormen van kinesthetisch leren en motorische functie. Voor een ballerina is het belangrijk dat zij in staat is haar bewegingen te controleren en precies op tijd te zijn voor haar routine. Voor een voetballer is het belangrijk dat hij zijn bewegingen kan reguleren bij het rennen en gooien, en dat hij controle heeft over waar de bal heen gaat en de timing ervan.
Alledrie deze belangrijke systemen in de hersenen functioneren samen als een team, waarbij het ene niet belangrijker is dan het andere. Ze werken samen om te kunnen reageren op zintuiglijke gebeurtenissen, timing, controle over fysieke handelingen, en nog veel meer. Het is echter belangrijk om te onthouden dat, tenzij iemand actief oefent, deze delen van de hersenen hem niet zullen helpen om zijn volledige potentieel te bereiken. Veranderingen in de hersenen die optreden tijdens het leren lijken de zenuwcellen efficiënter of krachtiger te maken. Studies hebben aangetoond dat dieren die in een complexe omgeving zijn grootgebracht een groter volume haarvaten per zenuwcel hebben – en dus een grotere toevoer van bloed naar de hersenen – dan de gekooide dieren, ongeacht of het gekooide dier alleen of met gezelschap leefde. Over het geheel genomen laten deze studies een georkestreerd patroon zien van verhoogde capaciteit in de hersenen die afhankelijk is van ervaring.