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近年来对于脑部的科学研究，几乎可以确认人类的智慧能力来自大脑的运作。脑是一个大约1000亿个神经细胞组成的人体器官，虽然脑的重量不太显眼，但它是人体的控制中心，支配着各种功能，比如循环、呼吸、消化、对外界反应、肢体动作等，各种感官活动（嗅、视、味、触、听）的信息也是在脑中处理。而且脑也负责人类的高级功能，包括思想、理解、记忆、语言、情绪、人格，甚至计划、烦恼、痛苦、爱与恐怖的感受等内在意识。
脑的重量只有大约1.3—1.4千克，一般而言约占身体重量的2%。脑是由水（80%）、脂肪（10%）和蛋白质（8%）构成的。人类的脑相当柔软，连餐刀都能切开它。脑部有超过1000亿个神经元，也称为神经细胞或脑细胞。每一个神经元与其他神经元之间有多达4万个细胞连接，称为突触。1000亿个神经元，乘以4万个突触，脑部的连接比宇宙中的恒星还多。像一颗沙粒般大小的脑组织中就包含了10万个神经元和10亿个突触，两两之间都在彼此“交谈”着。
脑的发育是一个令人着迷的过程，基因与环境共同参与其中。在怀孕的某些阶段胎儿的脑部每分钟制造25万个新的神经细胞。婴儿出生时脑部约有1000亿个神经元，但其中只有相当少数有髓鞘包覆或彼此连接。在生命的头10年，儿童的脑部形成万亿个神经胶质细胞，神经胶质细胞帮助神经元建立连接，保障神经元的健康及运作稳定。
新的研究结果显示，早期的童年经验，不只是创造一个发展与学习的背景，更直接影响了脑内连接方式，而脑内连接方式又深远地影响着我们的情感、语言和思想。经验不仅影响儿童的发展，也给脑的发展定了型。大约四分之三的脑部是在人出生之后，因应环境与经验发展成形。先天与后天总是合作无间。
脑在出生头5年发育特别迅速。扫描显示，12个月大之前，婴儿的脑部与正常的年轻人类似。3岁之前婴幼儿脑部的连接差不多是成年人的2倍。先发展的脑部区块，如视觉区，也是最先髓鞘化（有髓鞘包覆）的区块，这有助于该区块变得更有效率。3—10岁这几年是社会能力、知识、情绪和生理机能快速发展的时期。这个年龄段的孩子脑部活动量是成年人的2倍以上，而尽管新突触的形成会一直持续到老，但脑部对于新技能的掌握和挫折的容忍，再也不会那么容易了。11岁时脑部开始快速地删除多余的连接，剩下的回路功能更明确、更有效率。脑是用进废退原则的最佳范例，幼年反复使用过的连接成了永久性的连接，而那些未曾使用过的则被剔除。
脑部的前三分之一，也就是脑中负责执行管理的前额叶皮质区，在青春期后半期到20岁期间仍持续成长。尽管我们认为18岁已经是成年人了，但他们的脑部离完全发育还早得很。直到25或26岁前，前额叶皮质区一直都有髓磷脂存入，这使得脑部的管理区能以更高等的方式、更有效率的水平运作。
因此，在感觉统合治疗中，神经细胞可塑性在幼儿和儿童时期最为明显，在成长过程中，不同阶段细胞可塑的特点都不同。
为求正常运作，脑部需要氧。就像其他生物一样，脑部需要燃料以成长、发挥机能及自我修复，推动脑细胞的引擎靠葡萄糖和氧运转。脑部需要靠氧来产生能量，没有氧，名为线粒体的神经元“发电厂”就无法产生足够的能量维持脑部的运作。而脑神经元的成长自然也缺不了葡萄糖和氧气的能量补给。
因此，在感觉统合治疗中，除了感觉系统的刺激外，少不了大脑有氧运动的参与。有氧运动可以提高心脏压送血液流往脑部的能力，促进氧与葡萄糖的运输，同时运动也会刺激神经生成，也就是脑部增生新神经元的能力。研究显示，实验室老鼠在运动时会在额叶和海马体增生新的神经元。这些新的细胞除非受到刺激，否则存活约4星期后死亡。如果能借助心理或社交互动，刺激这些新的神经元，这些神经元会连接其他神经元，这些脑部回路有助于这些细胞持续运作下去。运动对海马体神经元产生持续约3天的保护效果。因此，最少要每3天运动1次，或是1星期3次。研究证明，经常运动好处很多，缺少运动对大脑血液供给有负面影响。
这8个系统是：皮质区、颞叶、顶叶、枕叶、前扣带回、基底核、深层边缘系统与小脑。在这里将阐述各个系统的功能。
大脑皮质区分前额叶皮质区和后额叶皮质区。前额叶皮质区掌管着人类的精神功能，帮助人类处理最高级的思考方式，包括计划、判断、人格、动机、控制冲动和心思表达，在学习智能领域里它负责意志力、自制力、人际智能、领导智能、沟通管理智能、内省智能等。后额叶皮质区主管人类的思维，包括：人类初级的信息汇整与逻辑处理的能力，在学习智能领域中负责空间知觉、构念想象、艺术认知、逻辑推理、算术认知、语言发声与构音等。
当前额叶皮质区的功能发挥自如时，我们考虑周翔、富有同情心、善于表达、条理井然有序而且目标明确。当前额叶皮质区功能失常的时候，我们容易出现判断力薄弱、冲动、注意力无法持续、缺乏条理、无法从经验中学习、迷糊、时间管理能力差以及缺乏同情心等状况。
在耳朵相对应的脑区有听觉、味觉、嗅觉中枢，主管人类的听知觉、记忆与情绪。颞叶会将声音理解成文字（语言理解），同时也跟音乐、声调和情绪有关。颞叶也是把短期记忆转入长期资料库的地方，因此颞叶又是掌管长期记忆功能的重要区域。颞叶也会协助视觉辨识物体并为其命名。当颞叶区的功能失常时，会发生记忆力问题、听觉和视觉问题、学习问题、用词不当、阅读障碍、情绪不稳、容易焦虑、不会辨识面部表情或理解言外之意等状况。
顶叶负责体觉、触觉、冷热觉的处理，也负责最基本的认知功能，包括艺术欣赏、肢体创造、知觉、体觉辨识、肢体理解与操作。
枕叶区是人类的视觉处理中枢，负责处理基层的视觉信息，包括图像创造、视觉欣赏、知觉、图像辨识、视觉理解与阅读。
前扣带回让我们觉得安定、轻松、灵活。前扣带回纵向贯穿额叶深处，是脑部最重要的转换站，它是大脑的变速器，让我们灵活、有适应能力，在我们需要改变时能够改变。脑的这个区块帮助我们将注意力从一个事物转向另一事物，从一个观念发展出另一观念。认知弹性是前扣带回的主要功能，当这个区域失常时，人们无法转移注意力，变得僵化、缺乏弹性、钻牛角尖、焦虑、爱唱反调。
基底核是人脑的焦虑中枢，与情感、思想和肢体动作的整合有关，这就是当我们兴奋时会跳起来，害怕时会手足无措的原因。
深层边缘系统的作用是维持自身生存和物种延续。深层边缘系统负责人类的情绪，过度活动会出现忧郁、悲伤、负面思考、焦虑、动机不足、消极、埋怨等状况，总是觉得不满或无聊。此外，深层边缘系统的海马体还对学习过程和记忆发挥着突出的作用。如果海马体或与它的功能相联系的结构受损，会导致遗忘综合征。
在后脑底部还有一个非常重要的结构，称为小脑。尽管小脑只占脑部容量的10%，却包含了50%的脑部神经元，长久以来，我们都知道小脑与肢体动作协调、体态和走路方式有关。但最近，我们才清楚，小脑和信息处理速度有关，也和思想协调有关。小脑帮助我们迅速进行生理调整，也帮助我们在压力或陌生情境下调整情绪。当小脑活动低落时，会出现写字潦草（协调问题），无法维持工作区井然有序，对光线、噪音、碰触或衣饰（如标签）感到不舒服，以及笨手笨脚或经常出现意外。自闭症、注意力缺陷症和学习障碍患者身上，也发现小脑活动低落的情况。
之所以介绍这些脑系统，是为了让我们了解，其实脑部的功能错综复杂，任一人类所作出的异常行为都可能是脑的某个区的功能失常所导致。人类如果希望自己行为表现良好，那么要有一个功能良好的脑才能实现。然而，脑的功能除了脑内部的细胞组成外，还和细胞与细胞之间的信息传递有关。这些细胞靠着轴突和树突的相互交错彼此“交谈”着。以前的医学无法把一个异常行为（如好动分心、情绪困扰、动作笨拙、学习困难）看成是一种疾病，除非是脑瘫、头部受伤、发炎等重症原因所引起，而忽略了细胞之间存在着信息传递失常的问题。脑组织靠着神经细胞之间的交互传递信息进而完成指令，当这些信息传递过程中出现岔路或传递不流畅时，就会出现偏差行为、学习障碍与情绪困扰。
20世纪60年代，戴门德比较了实验室里的两组老鼠。第一组住在相当于戒备森严的监狱囚室的环境里，每天只吃足以为生的简单食物，但脑部几乎没有接受刺激，不给它们玩游戏，没有迷宫也没办法跟别的老鼠聚会解闷。第二组老鼠则像在上学一样，还有课外活动时间，有玩具可以玩，有迷宫可以探索，也有健身器材可以锻炼肌肉和脑细胞。最棒的是他们能够和其他老鼠分享经验。他让两组老鼠在同样的迷宫中进行计时赛跑，那些生活在身心愉悦环境中的老鼠成绩好很多。
然后戴门德做了一项检查，他把赢家和输家都送上手术台检查他们的脑。学习环境较丰富，在迷宫赛跑中获胜的老鼠，他们的脑和控制组的老鼠明显不同。他们的脑皮质的最外层有许多皱褶（这是我们用以理解世界的神经通路所在），比未接受刺激的老鼠要厚。脑部接受滋养的老鼠具备较多的神经连接，显示心智活动较活跃。另外它们脑部的血管也比较多，可以运送至关重要的氧，以最高效率触发神经连接。戴门德用收集的坚实证据指出，心智状态具体呈现在脑的生理状态上。学习会强化脑，就如同运动会强化四肢和腹部的肌肉一样。
戴门德的实验不但记录了重要的事实，而且还隐含一个玄机，他并不是用幼鼠做实验，他选用的是中年以上，相当于人类60—90岁之间的老鼠。年长老鼠的脑功能，因为最新经验产生回应进而重塑，这体现了脑的可塑性。
这是个好消息，而且不止对老鼠，对所有的哺乳动物都一样，因为它们都有类似的脑部结构。对老鼠、狗、马和猴子适用的原则，在人类身上也行得通。戴门德对自己的发现感到宽慰，因为这说明了人在任何年龄都能改变。较老的脑需要较长的时间才会对健康生活等外界因素有所反应，但的确会有反应。也就是说，只要好好用脑，中老年人的脑的改变程度能和年轻人的脑一样大。
这种促进脑部生长的刺激因子，不是所有该物种都会接触到的反应对象，如灯光和声响，而是不同个体身处的独特环境。在亚马逊丛林中成长的孩童会学到许多关于雨林动植物的知识，而在郊区长大的孩子会懂得使用儿童攀爬器材、荡秋千、游泳和踢足球。
这第二种脑部的发育类型可以在任何年龄发生。某些学习，如学习外语，在青春期以前的确比较容易，但词汇是终其一生都能积累的。一般而言，这类学习并没有单一关键的时间点，人脑可以在任何时间学习经验依赖型的知识。
因此，还让孩子沉浸在莫扎特的世界中，希望刺激他们的音乐或其他方面的智能就没有太大意义。较晚学会阅读的儿童，有时候文化教养甚至远远超过那些在最早可能开始识字的时候就学习阅读的孩子。孩子就算没有玩具，也还有一个由草地、人行道、家具、地毯等组成的复杂世界可以探索，得以学会如何与世界交往。
环境触发脑部的发育模式，能适当地参加体育运动的儿童，脑的所有区块，包括与运动和平衡相关的部位，都会因为受到挑战而进步。
脑发育是否受先天基因或者后天因素的影响，这个议题在过去100年间始终争论不休。今天我们可以看到的共识是，先天的因素对大脑的组织约有30%—60%的影响力，而40%—70%则是来自环境的影响。作为教育工作者，我们最能影响的也是学生的后天部分，因此，在谈到大脑对各种影响的反应时，我们必须谨记的最重要一步是消除学习环境中的危险因素。首先要做的是消除负面的影响，会产生负面影响的因素包括让学生难堪、斥责、不合理的时间限制、强迫学生放学之后留下来、羞辱学生、讽刺学生、教育资源匮乏或校园欺凌等。这些对于长期的学校学习目标毫无正向的作用，一旦这些威胁性因素被消除，我们就可以设法建构出正向的教育环境。
美国加州大学伯克利分校的神经解剖学家玛丽安·戴蒙指出，当我们处于丰富多样的环境时，我们的大脑皮质会变得更厚，产生更多的树状突分支和更大的细胞体。这样的改变表示，大脑的细胞之间能够更有效地沟通，不仅如此，大脑也会有更多的支持细胞。上述这些情况在给予大脑丰富的环境之后的48小时之内就会发生。戴蒙的论点，被后继的许多研究证实，环境因素的确能导致可预测和极显著的结果。环境的影响力就体现在细胞之间形成连接的过程中，因此许多研究认为，增强对神经系统的刺激可能增强学习能力。聪明的人可能有比较大量而且相互紧密联系的神经网络。神经系统连接上的变化与人们可以从复杂的经验中获得改变，这两种看法不谋而合，尤其是在学习和记忆两方面。这种观点告诉我们，环境对于大脑的构造的影响，同个人的亲身经历一样深远。
某些学习，例如学习外语，在青春期以前的确比较容易，但词汇是终其一生都能积累的。一般而言，这类学习并没有单一关键的时间点。突触的产生会随着活动类型不同而变化，例如学习全新的肢体动作时，新的突触会在大脑皮质上产生。
滨夕法尼亚大学的研究者借助功能性核磁共振造影发现，我们的大脑有些区域只接受字母的刺激，而不是词汇或符号，这个结果告诉我们新的经验（例如阅读）可以被植入大脑中。综上所述，我们可以说，当我们改变环境的形态时，大脑发育情况也会随之改变。大脑的变化仍然十分神秘，学生如果在年幼时遭受视觉方面的剥夺，就会影响大脑。如果有不良的经验，错误的突触便会影响整个系统的功能。
因此，在教育中，越来越多人重视提供合适的丰富环境，最有力的证据之一便是现在我们越来越了解环境可以影响人类。虽然你无法使智商70的人变成智商150，但是你可以用不同的方法改变他们的智商测量结果，偏差会在正负20%左右，视不同的环境而定，如果真是这样，最大的差距就有40分左右。
那么到底教育能如何影响大脑呢？
神经科学家雅克的研究证实，对动物所做的丰富的大脑研究的结果也可以在人类大脑上复现。他发现，从大脑剖面图来看，研究生的大脑比高中辍学生多出40%左右的神经系统连接，而且长期投入高难度活动的研究生，相比没有参与高难度活动的研究生，其大脑的成长高出25%。因此，我们不能只看教育水平，经常学习新经验和接受新挑战才是大脑成长的主要因素。那些只是在学校中闲散过日子的研究生，比起那些天天埋头研究困难问题的研究生，其神经网络连接较少。总之，具有挑战性的知觉刺激，就像大脑的营养品一样。
威恩洲立大学神经生物学家朱甘尼指出，学龄时期的大脑，大量消耗体内的葡萄糖，来满足成长的需要，所需的能量大约是成人的225%。大脑在早期学习阶段的成长速度最快，也最能学习。在这个时期，刺激、练习和新奇都是奠定未来学习基础的关键要素。外在的环境是大脑成长的真正食物。大脑吸收了味道、声音、影像、口感、触觉，并且重新组织所有这些吸收进来的东西，变成无数的神经系统连接。当大脑开始理解外在世界时，也创造了神经系统的桃花源。罗杰医学院的神经学家塔拉认为，人人都应该拥有这种重要的学习机会，他说：“别只是等待，你不会再有这样的机会了。”因此，我们就不难理解，为什么家长希望他们的孩子被认为是资质优秀的学生。因为错过这个学习机会，还意味着他们的孩子会错过大脑神经网络发育的最佳机会。