Hersenen bestaan uit hersencellen ofwel: neuronen. Het aantal neuronen in de menselijke hersenen wordt geschat op ongeveer 100 miljard. Volgens neurowetenschappers vindt leren plaats wanneer twee neuronen met elkaar communiceren. Deze communicatie vindt plaats door het doorgeven van ‘stroompjes’. Iedere neuron kan verbinding maken met ongeveer 5.000 andere neuronen. Deze verbindingen worden gelegd via de uitlopers van deze neuronen: de dendrieten. Het leervermogen van een mens wordt niet zozeer bepaald door aantal neuronen (hoewel dit enorme aantal zeker helpt, maar meer door het aantal dendrieten. Deze hebben namelijk een exponentiële invloed op complexiteit van het neurale netwerk die de hersenen vormen. Uit onderzoek bij ratten is gebleken dat extra dendrieten worden aangemaakt in een stimulusrijke omgeving en dat dit niet gebeurt in een stimulusarme omgeving. Dendrieten bleken tot op hoge leeftijd te kunnen worden aangemaakt. Ook op hoge leeftijd kun je dus leren. Zo vonden Britse taalonderzoekers dat ook op hoge leeftijd wel degelijk de klank finesses van andere nieuwe talen konden leren onderscheiden.

Naast neuronen spelen ook bepaalde eiwitten een belangrijke rol, waaronder de zogenaamde neurotransmitters. De productie van deze eiwitten staan weer onder invloed van hormonen als adrenaline en cortisol en waarschijnlijk endorfine. Door onderzoek aan insecten en weekdieren (vooral slakken), wordt kennis opgebouwd over de chemische processen die een samenspel vormen met de elektrische stroompjes van de neuronen. Dit onderzoeksterrein kent momenteel vele doorbraken.