Det finns tre delar av hjärnan som är viktigast för kinestetiskt lärande och inlärning av färdigheter. Basalganglierna, hjärnbarken och lillhjärnan spelar alla lika viktiga roller för förmågan att lära sig nya färdigheter och behärska dem.
Basalganglierna är en samling ganglier (kluster av neuroner) som ligger vid basen av framhjärnan. De basala ganglierna tar emot information från andra delar av hjärnan, till exempel hippocampus och kortikala områden som sänder meddelanden om omvärlden. De flesta av dessa meddelanden är sensoriska, det vill säga vad en person fysiskt känner. Basalganglierna tolkar sedan denna information och skickar den vidare till thalamus och hjärnstammen som båda spelar stor roll för den fysiska rörelsen. Därför är de basala ganglierna början på processen för någon som lär sig genom att göra att reagera visuellt på stimuli runt omkring honom eller henne. Det är viktigt att öva när man väl lärt sig en färdighet. Detta kan förändra hur basala gangliakretsar deltar i utförandet av den färdigheten och att synaptisk plasticitet är en grundläggande neuronal mekanism som möjliggör sådana förändringar. Ju mer en person övar, desto mer plasticitet utvecklar han eller hon.
Hjärnbarken är den hjärnvävnad som täcker hjärnans ovansida och sidor hos de flesta ryggradsdjur. Den är involverad i lagring och bearbetning av sensoriska inflöden och motoriska utflöden. I den mänskliga hjärnan är hjärnbarken i själva verket ett ark av nervvävnad som är ungefär 1/8 tum tjockt. Arket är vikt så att det får plats inuti skallen. De neurala kretsarna i detta område av hjärnan expanderar med övning av en aktivitet, precis som den synaptiska plasticiteten växer med övning. Klargörandet av några av inlärningsmekanismerna inom neurovetenskapen har delvis främjats av framväxten av icke-invasiv avbildningsteknik, t.ex. positronemissionstomografi (PET) och funktionell magnetresonanstomografi (FMRI). Dessa tekniker har gjort det möjligt för forskare att observera mänskliga inlärningsprocesser direkt. Genom denna typ av teknik kan vi nu se och studera vad som händer i inlärningsprocessen. I olika tester som utfördes visade hjärnan som avbildades ett större blodflöde och aktivering till det område av hjärnan som stimulerades genom olika aktiviteter, t.ex. genom att knacka med fingrarna i en viss sekvens. Det har visat sig att processen i början av inlärningen av en ny färdighet går snabbt och att den senare saktar ner till nästan en platå. Denna process kan också kallas för inlärningslagen. Den långsammare inlärningen visade i FMRI att det var i hjärnbarken som den långsiktiga inlärningen ägde rum, vilket tyder på att de strukturella förändringarna i hjärnbarken återspeglar förbättringen av färdighetsminnena under senare skeden av träningen. När en person studerar en färdighet under en längre tid, men på kortare tid, lär han eller hon sig snabbt, men behåller också bara informationen i sitt korttidsminne. Precis som när man studerar inför ett prov. Om en elev försöker lära sig allt kvällen innan kommer det inte att hålla i längden. Om en person studerar en färdighet under kortare tid, men mer frekvent och långsiktigt, kommer hjärnan att behålla informationen mycket längre eftersom den lagras i långtidsminnet. Funktionella och strukturella studier av hjärnan har visat att det finns en omfattande sammankoppling mellan olika regioner i hjärnbarken. Ett stort antal axoner förbinder till exempel de bakre sensoriska områdena för syn, hörsel och känsel med de främre motoriska områdena. Ständig kommunikation mellan förnimmelse och rörelse är meningsfullt, för för att kunna utföra smidiga rörelser i omgivningen måste rörelsen kontinuerligt integreras med den kunskap om omgivningen som man får via sinnesuppfattningen. Hjärnbarken spelar en roll för att människan ska kunna göra detta.
Cerebellum är avgörande för att en människa eller ett djur ska kunna reglera rörelsen. Detta område av hjärnan omsluter hjärnstammen och är mycket tätt packat med neuroner och neurala förbindelser. Denna del av hjärnan är involverad i såväl timing som rörelse. Den hjälper till att förutsäga händelser, särskilt vid bildandet, utförandet och tidpunkten för betingade reaktioner. Cerebellum spelar en mycket viktig roll i alla former av kinestetisk inlärning och motorisk funktion. För en ballerina är det viktigt att kunna kontrollera sina rörelser och tajma dem exakt rätt för sin rutin. För en fotbollsspelare är det viktigt att kunna reglera rörelsen när han eller hon springer och kastar, och att kunna ha kontroll över var bollen hamnar samt tidpunkten för den.
Alla dessa tre viktiga system i hjärnan fungerar tillsammans som ett lag, där det ena inte är viktigare än det andra. De arbetar tillsammans för att göra det möjligt att reagera på sensoriska händelser, timing, kontrollera fysiska handlingar med mera. Det är dock viktigt att komma ihåg att om en person inte tränar aktivt kommer dessa delar av hjärnan inte att hjälpa honom eller henne att nå sin fulla potential. Förändringar i hjärnan som sker under inlärning verkar göra nervcellerna mer effektiva eller kraftfulla. Studier har visat att djur som uppfostrats i komplexa miljöer har en större volym kapillärer per nervcell – och därmed en större blodtillförsel till hjärnan – än burdjuren, oavsett om burdjuren levde ensamma eller med kamrater. Sammantaget skildrar dessa studier ett orkestrerat mönster av ökad kapacitet i hjärnan som är beroende av erfarenhet.