人腦是一個極其神奇的器官，它擁有發生無數變化的能力，並且其改變過程會持續終身。現階段我們已經積累了數量相當、結論可靠的基礎研究，與教育相關的認知神經科學發現也正在以驚人的速度不斷增長，它們可以也確實應該被真實地了解並應用到教育過程中去。
「可塑性」是一個解釋腦如何根據經驗進行調整的神經科學術語。學習過程涉及感覺輸入或者動作之後，神經突觸間連接強度的改變。在我們的整個生命過程中，神經元細胞都在延展新的樹突，生長新的軸突，形成新的突觸連接，修正或者剪切已經存在的神經連接。基因和外部環境之間的相互作用使我們的大腦隨著我們的經驗不斷改變，就像肌肉會因為我們不斷地鍛鍊而得到增強，大腦的網絡連接也會因為我們的不斷使用而增強。
在不久之前，大多數的神經科學家還相信，儘管神經細胞之間的連接在我們的生命中持續增加，大腦本身卻不會產生新的細胞。但是，這種觀念現在已經發生了變化。神經生成的發現，即特定腦區中新細胞的生成，代表著我們在理解人類大腦過程中的巨大突破。在動物研究中，研究者們已經證明了在小腦和其他重要腦區中（比如同記憶有關的海馬）腦細胞的生成。此外，開始有研究發現，神經生成可以通過鍛鍊、加強營養、減少壓力等方式得到增強。
關於大腦結構和功能的研究揭示了認知與情緒之間複雜的相互作用。在學校和課堂中，我們竭力關注認知過程的發展，情緒情感必須讓位於我們的學習，理智和情感不應該混同。但是，現在我們知道，將情緒和學習過程分開是不可能的。「儘管我們中的許多人可能認為自己是『會感受的思維動物』，但是在生物學上，我們其實是『會思考的感覺動物』」（Taylor，2008）。
調整注意力到相關任務上的能力幾乎影響著學習過程的方方面面。Posner和Rothbart（2007）區分了三個神經網絡，即三個涉及注意行為的相互連接的腦區系統：（a）警覺網絡——允許我們保持警覺狀態；（b）朝向網絡——幫助我們注意到感覺事件；（c）執行網絡——在特定事件中維持注意。他們的研究指出，需要意志努力的注意控制從幼年便開始發展一直持續到青少年時期。此外，當被試接受了特定的、要求注意控制的訓練任務後，注意過程的神經活動模式發生了變化，注意力在行為測量上也得到了增強。
執行功能被描述為一組基本認知加工過程，強調對進行中的、目標導向任務的調控以及高級思維技巧的運用。這些基本的功能通常同大腦額葉的神經加工過程有關，包括保持工作記憶中的信息，啟動、抑制一個動作，轉換視角或者注意等。這些功能讓我們能夠完成複雜的動作，例如制定計劃、組織過程、自我監控和情緒調節。許多被診斷為注意缺陷多動障礙（ADHD）的孩子會表現出一項或者更多項同執行功能相關的技能缺損。執行功能在要求形成新穎連結、要求對信息進行靈活運用的學習情景中變得尤其重要。
運動在認知和學習中的重要性很早就被發現了。蒙臺梭利指出「我們這個時代最大的錯誤就是把運動當作運動本身，當作與其他高級功能分離的東西······心智的發展是與我們的運動有緊密關聯的，並且心智發展可能依賴著個體運動的發展」。
與蒙臺梭利的觀點一致，新近的腦科學研究揭示了運動和鍛鍊不僅僅能產生讓我們的心情愉悅的化學物質（多巴胺等），而且深刻影響著個體認知發展的許多方面。物理運動能促進特定化學成分的產生從而鞏固記憶，也能促進海馬中新神經元的發展。
越來越多的研究證明在教學環境中，藝術參與能夠給學習帶來重要的積極效應。藝術作為一種創造性活動，除了能夠豐富孩子們的體驗與經歷，更是被證明能夠通過多種方式給學習本身帶來益處。James Catterall（2009）發現，那些有藝術課程訓練的年輕人同那些從來沒有過藝術訓練的群體相比，在學業水平和社會行為上有著顯著的區別。那些接受了15個月音樂訓練的學生展現出了大腦特定區域功能的顯著變化，這些區域的變化與音樂相關的運動和聽覺技能的提升有關。
神經認知科學的研究正在逐步闡明青春期大腦的變化以及這些變化所伴隨的神經活動模式。相較於青春期之前的孩子，青春期少年在各項任務的完成中，其各個腦區之間出現了更多的關聯互動，而腦內的灰質容積卻顯著減少，邊緣系統和前額葉執行功能系統的連接平衡也在青春期發生改變。青少年們的言語智力和非言語智力分數在青春期的變化也證實了青春期局部腦結構的變化。
除了神經和認知加工過程的變化，青少年的一般睡眠模式也表現出與青春期前的顯著不同。青少年的晝夜節律開始出現一種夜晚更遲的睡眠啟動，以及清晨更遲的意識喚醒（更晚睡，更晚醒）的趨勢。這樣的發現要求我們略微推遲白天開始上課的時間，去適應這個時期青少年的睡眠模式。
腦的改變也可以用來解釋青少年為何會從尋求父母贊同轉變為更渴望同伴贊同，以及解釋青少年尋求刺激行為的傾向（Giedd，2009）。我們希望這些領域的研究進展可以被用來協助教育者和養育者們更好地理解和預防孩子們在青春期的潛在問題。
作為21世紀人才的必備技能與核心品質，創造力已經成為一個熱門研究問題和大眾傳媒樂於探討的話題。儘管在過去的三十年中，孩子們的整體智力分數提升了，但是創造力水平卻在降低。一項大規模的調查分析發現，超過30萬的孩子和成年人的Torrance測驗（一個相當流行的測量創造力思維的測驗）分數降低了。
當教育者們仍在想辦法為已經超負荷的課程中增加一些創造性活動時，科學家們早已大踏步地進行了相關的研究。認知神經科學已經開始探討，相較於傳統的依賴死記硬背的學習，當人們更多地參與到創造性、自主性的活動中時，大腦信息加工過程會發生怎樣的變化。