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受精8周以后，胚胎就被称为胎儿，胎儿是一个希腊词，意思是“小人儿”。到这时，胎儿的四肢清晰可辨，面部结构与出生时无二。胎儿开始出现独立的神经活动，能够控制自己的运动——头部和腹部有小幅运动。当母亲有压力时，胎儿的心率会增加，这表明胎儿会对环境做出反应。
从怀孕第8周到第12周，再到婴儿出生，胎儿不再长出新的身体部分，已有部分及功能会得到进一步发育和完善。
孩子出生前，从肾脏到大脑结构的各种基本情况就已经固定好了。
大脑中负责人类特有行为的部分被称为大脑皮层，即位于成年人脑表面的褶皱。这些褶皱（也就是脑沟）由折叠形成，增加了皮层的表面积。毫无疑问，大脑皮层是胎儿大脑较晚发育的部分之一，也是人类最后进化出来的部分。
我们生来就有各种可能会用到的神经元，之后不再形成新神经元。然而，现有的神经元会长出新的树突，从而形成新的突触。上面左图是艺术家描绘的3个月大的婴儿前额叶树突的生长情况，右图为2岁儿童前额叶树突的生长情况。
5～6个月时，胎儿的脑干足以支持宫外呼吸。但即使到了这一阶段，大脑皮层的功能还不完善，仍然缺乏成年人脑的褶皱脑沟。
脑沟的出现分为三个阶段。所有人都有的一级脑沟大约在20周时能清晰地显示出来。相比之下，第三阶段（即三级脑沟）的发展因人而异，一直到婴儿出生后一年才能发育完全。人们对二级脑沟的了解较少，尽管这方面的研究不断增加。婴儿在出生后的一年中，大脑重量几乎会增加到之前的两倍。
为什么成年人思考得比婴儿快？成年人脑中有更多突触经过修剪，因此他们的神经回路比婴儿的更加精简。还有一个更为简单的解释，你可以将神经元想象成很多导线，轴突是其中一根导线，在婴儿体内这根导线的导电性不佳。而成年人的轴突被一种脂肪物质（髓鞘）覆盖，使之与其他神经元隔绝开来，这就像塑料外壳对电线起到了绝缘的作用。
髓鞘化始于妊娠期第5个月的脊髓神经纤维，止于9个月临产时的脑部。
——丽丝 · 艾略特博士
髓鞘的发展过程被称作髓鞘化（myelination），是大脑发育较缓慢的过程之一。妊娠期第5个月时，髓鞘化从脊髓开始，但直到第7个月以后，大脑才开始出现髓鞘化，一直持续到出生。髓鞘化贯穿整个婴儿期，作用十分关键，大脑中与认知功能相关的部位在形成髓鞘之前，都无法形成某些完整的认知功能。认知功能是由大脑皮层驱动的所有行为，属于高级处理，如记忆、语言或推理。
学习语言需要实践。但这种实践始于何时呢？1986年，北卡罗来纳大学（University of North Carolina）的安东尼·德卡斯帕（Anthony DeCasper）和梅拉妮·J.斯彭斯（Melanie J.Spence）进行了一项著名研究，研究结果表明，婴儿从出生前就开始学习语言。在他们的研究中，一些母亲为胎儿反复大声朗读苏斯博士（Dr.Seuss）写的故事《戴帽子的猫》（The Cat in the Hat），而另一些母亲也朗读同样的故事，但改了几个关键名词，故事就变成了《大雾中的狗》（The Dog in the Fog）。
在新生儿出生后的第1周，研究人员给他们橡胶奶嘴，这种奶嘴与记录吮吸速度的仪器相连。当婴儿听到他们曾在子宫里听过的故事时，吮吸速度会加快。当听到原版故事而不是改编故事时，婴儿的反应更为明显。令人惊讶的是，与听到父母或其他熟悉的声音朗读改编故事相比，婴儿听到陌生声音朗读原版故事时的反应更明显。
这项惊人的研究表明，胎儿已经在关注语言，学习构成语言的声音的特征，但这对我们了解婴儿的大脑有什么启示呢？宠物一生都能听到语言，但它们永远学不会说话，也只能理解最简单的那几个单词。人类大脑有学习语言的设定。在子宫内的前6个月，颞平面（大脑中与语言产生和理解相关的区域）在左脑发育得比右脑更好，因为大多数人的语言功能区位于左脑。对早产儿的研究表明，到6个月末，胎儿左半脑就会形成专门的语言区：右耳听词更清楚，这意味着信息传送到了左半脑（大脑将身体一侧接收到的信息传递给另一侧的大脑）。
还有两个因素表明，婴儿在出生前大脑就开始学习语言的各个方面。其一，成年人只能注意到熟悉的语言中的音素（语言里语音的最小单位）。然而，胎儿和新生儿甚至能察觉出不熟悉的语言中的音素，这使得他们能够专注学习更复杂的语言规则。研究表明，当新生儿察觉到新音素时，吮吸橡胶奶嘴的速度会加快，这表明他们认出了这些音素是新的。其二，有证据显示，到第5个月末，胎儿能识别发音相似的音素间的差别，这表明大脑在形成过程中就具备了这种能力。