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认知神经研究认为，人类大脑的结构和功能比任何其他动物都要复杂，且受学习、训练以及经验等因素的影响，大脑皮层会出现结构的变化以及功能的重组，在人的一生中都在不断地发展变化，即大脑具有很大的可塑性。
大脑可塑性也被称为神经可塑性，它是个体的大脑在整个生命周期中所具有的持续改变的能力或特性。可从多个维度观察大脑的可塑性，在单细胞水平上是指突触可塑性，即神经元之间连接的变化；微观水平上是指个体神经元数量的改变；宏观上是大脑结构和功能的变化或大脑损伤后的自我修复。
从突触可塑性来讲，0～3岁也是婴幼儿神经元突触增长的关键时期。神经元（图2-5）主要由树突和轴突组成。树突的作用就像天线，从其他神经元接收信息，然后在化学信使或神经递质的协助下，将信息从一个神经元的轴突通过突触（电-化学冲动）传递到另一个神经元的树突。在细胞之间承担着信息传递任务的连接结构称为突触，通常突触前神经元用来发送信号，突触后神经元用来接收信号。
图2-5 神经元结构
随着出生时间的推移，大脑内的神经元迅速伸展其轴突及树突，并在神经元与神经元之间形成细胞连接即突触，后者可在发育脑内进行广泛交流。出生后早期，脑内突触形成的数量远超过其成年后的数量，但仅有少量突触能在发育过程中保留下来并发挥相应功能，该过程称为“突触修剪”。生理情况下，幼儿脑内的突触数量急剧增加，远远超过了其成年时期脑内的突触数量。只有修剪掉部分功能“较弱”的突触后，其余突触才能持续接受更多的信息刺激，其功能也将变得更强大，只有经历了修剪重构过程，脑内才能形成更为精确的突触连接。因此，虽然婴幼儿突触的形成率比成人高，但是突触不加使用就会死亡和消失。
不同的突触由不同的神经递质调控。那些被频繁使用的突触会变成脑内神经通路的固定连接，而神经通路是个体与外界交互的基础。前一个神经元的轴突末梢和下一个神经元的树突进行信号传导，信息传送的多少、快慢与轴突末梢的分叉数目、树突的数目成正比。多次重复刺激可以产生脑神经细胞突触效能的长时程增强（LTP），两个相连的神经元A→B，如果用电极高频率刺激A神经元，重复几次这样的操作后，突触后膜的B神经元产生的电位比原来增强2～3倍，并且这种增强效果能够维持几小时甚至几天。
一个人的智商、思维方式、大脑整合信息的能力就是以神经突触的丰富性、神经纤维的牢固性等综合体现的。
在大脑可塑的敏感期内，若有良性、丰富的环境信息刺激，可以改变神经元的大小、脑结构的总质量和突触的数目，增加神经元之间的有效连接和轴突髓鞘化的形成。在与环境接触的过程中，神经元在经验的刺激下，突触增多，使脑神经的连接网络更加丰富。研究表明，不玩耍的孩子或者很少被触摸的孩子的脑比正常同龄孩子的脑小20%左右。树突和轴突末梢的分叉主要是在13岁以前就形成了基本固定的结构和数目，后天的努力只能改善很小的一部分。
从神经元结构的可塑性来看，通过长时间的神经突触的连接与周而复始不断地建立新连接，这些不断重复的活动将使局部脑区的结构发生变化。例如一个从小生长在双语家庭环境的甲，在学习第二语言时，会直接在负责说母语的布洛卡区的结构内增生一个说第二语言的新结构，因此学习语言进步较快，而且两种语言都能融会贯通；另外一个是从小生长在单语家庭的乙，成年后决定再学习第二种语言，在学习第二语言时，会在原来说母语的布洛卡区旁边试图再生长另一个说第二种语言的布洛卡区，因此学习的速度较慢而且难度也较高。所以学习语言从小做起，可以提高学习的功效。
神经元功能的可塑性也可以理解为神经元功能的重组，这是一种适应机制，作为补偿失去的感觉或功能以及当发生脑损伤时可以优化剩余脑功能的特性。例如，一位天生就眼盲的人，照理说大脑的视觉皮质应该没有什么作用，但是研究人员利用核磁共振成像技术发现，当眼盲者在进行触觉点字阅读时部分视觉皮质被激活，表示眼盲者的视觉皮质也能被触觉所运用。同样的情形也发生在失聪者身上。当失聪者在进行视觉活动时，部分听觉皮质也能被激活，这就是为什么失去某个感觉功能的人，其他正常感觉功能会比一般人还要敏锐的原因。
大脑神经元的可塑性受限于敏感期，个体各个感官系统虽然能敏感又灵活地根据外界信息来调整自己的功能，但是许多可塑的改变在过了关键期之后都不再可逆。因此，针对大脑可塑性的特点，孩子应在大脑敏感期内做好发展引导，最终使神经网络连接得更丰富，“生长”得更粗壮。