Öğrenme, çoklu beyin bölgelerinin ve nöral devrelerin entegrasyonunu içeren karmaşık bir süreçtir. Genel olarak öğrenme, nöronlar arasında yeni bağlantıların oluşumunu veya mevcut bağlantıların güçlendirilmesini içerir. Bu, nöronlar arasındaki sinapsların gücü ve sayısındaki değişiklikleri içeren, sinaptik plastisite olarak bilinen bir süreçle elde edilir. Sinaptik plastisitenin iki ana formu vardır: uzun vadeli güçlenme (LTP) ve uzun vadeli depresyon (LTD). LTP, sinapsların gücünün arttırıldığı bir süreçtir, LTD ise sinapsların gücünün azaltıldığı bir süreçtir. Bu süreçlerin, anıların oluşumu ve yeni beceri ve davranışların kazanılmasının altında yattığı düşünülmektedir. Öğrenme aynı zamanda dikkat, motivasyon ve ödül için önemli olan dopamin ve asetilkolin gibi çeşitli nörotransmitterlerin ve nöromodülatörlerin aktivasyonunu da içerir. Bu kimyasallar, öğrenmeye dahil olan nöral bağlantıların güçlendirilmesine yardımcı olur. Farklı beyin bölgeleri de farklı öğrenme türlerinde yer alır. Örneğin, hipokampus uzamsal ve bildirimsel bellek için önemlidir, bazal gangliyonlar ise motor öğrenme ve alışkanlık oluşumu için önemlidir. Temel öğrenme süreci, nöronlar arasında yeni bağlantıların oluşumunu veya mevcut bağlantıların güçlendirilmesini içerir. Bu, sinapsların aktiviteye yanıt olarak değişme kabiliyetini ifade eden, sinaptik plastisite olarak bilinen bir süreçle gerçekleştirilir. Sinapslar, iletişimin gerçekleştiği nöronlar arasındaki bağlantılardır. Bir nöron bir nörotransmitter saldığında, başka bir nörondaki reseptörlere bağlanarak bir elektrik sinyalinin üretilmesine neden olur. Sinyalin gücü, salınan nörotransmitter miktarının yanı sıra reseptörlerin sayısına ve duyarlılığına bağlıdır. Uzun vadeli güçlenmede (LTP), bir sinapsın tekrar tekrar uyarılması, bağlantının gücünün artmasına neden olur. Bu, daha fazla nörotransmitterin salındığı, zara daha fazla reseptörün yerleştirildiği ve mevcut reseptörlerin daha duyarlı hale geldiği bir sinaptik güçlendirme süreci aracılığıyla gerçekleşir. Bu, iki nöron arasındaki bağlantıyı güçlendirmeye yardımcı olan sinaps boyunca iletilen daha büyük ve daha güvenilir bir sinyalle sonuçlanır. Buna karşılık, uzun süreli depresyon (LTD), bir sinapsın gücünde bir azalmayı içerir. Bu, bir sinaps tekrar tekrar düşük bir seviyede aktive edildiğinde meydana gelir, bu da LTP'de olduğu gibi zıt değişikliklerin meydana gelmesine neden olur - zara daha az reseptör yerleştirilir ve mevcut reseptörler daha az duyarlı hale gelir. Bu, sinaps boyunca iletilen daha zayıf ve daha az güvenilir bir sinyalle sonuçlanır, bu da iki nöron arasındaki bağlantıyı zayıflatır. Bu sinaptik plastisite süreçlerinin, anıların oluşumunun ve yeni beceri ve davranışların kazanılmasının temelini oluşturduğu düşünülmektedir. Örneğin, yeni bir kelime ya da yeni bir motor beceri gibi yeni bir şey öğrendiğimizde ilgili beyin bölgelerinde yeni bağlantılar kurulur ya da var olan bağlantılar güçlendirilir. Bu bağlantılar daha sonra tekrar tekrar uygulama veya maruz kalma yoluyla zaman içinde güçlendirilerek uzun süreli hatıraların oluşmasına veya yeni alışkanlıkların geliştirilmesine yol açar. Farklı öğrenme türlerinin farklı beyin bölgelerini ve devrelerini içerdiği düşünülmektedir. Örneğin, hipokampus uzamsal ve bildirimsel bellek için önemlidir, bazal gangliyonlar ise motor öğrenme ve alışkanlık oluşumu için önemlidir. Bu bölgeler birbirine bağlıdır ve öğrenmeyi ve hafıza oluşumunu desteklemek için birlikte çalışır. Sinaptik plastisiteye ek olarak, öğrenme ayrıca dopamin ve asetilkolin gibi çeşitli nörotransmiterlerin ve nöromodülatörlerin aktivasyonunu içerir. Bu kimyasallar, öğrenmede yer alan nöral bağlantıların güçlendirilmesine yardımcı olur ve dikkat, motivasyon ve ödülde rol oynarlar. Örneğin, bir ödül aldığımızda dopamin salınır ve bu ödülün alınmasında yer alan nöral bağlantıların güçlenmesine yardımcı olur. Bu, davranışı gelecekte tekrarlama olasılığımızı artırır.

Genel olarak öğrenme, çoklu beyin bölgelerinin ve sinir devrelerinin entegrasyonunun yanı sıra nöronlar arasındaki sinapsların gücü ve sayısındaki değişiklikleri ve çeşitli nörotransmitterlerin ve nöromodülatörlerin aktivasyonunu içeren karmaşık bir süreçtir.