Pembelajaran melibatkan semua unsur yang ada pada tubuh, terutama otak yang bertindak sebagai pos perjalanan dari stimulus yang datang. Setiap detik, setiap neuron atau sel saraf dapat mencatat dan mentransmisikan antara 250 sampai 2500 impuls.
Otak manusia dewasa memiliki berat sekitar satu setengah kilogram.Bagian terbesar yang merupakan porsi terbesar dari otak (80 persen) disebut cerebrum (otak besar). Cerebrum bertanggung jawab atas fungsi-fungsi berpikir tingkatan tertinggi dan pengambilan keputusan. Otak manusia memiliki bagian terbesar dari korteks yang tak terikat (tidak memiliki fungsi tertentu) dibandingkan spesies lainnya. Hal ini memberikan fleksibilitas dan kapasitas yang luar biasa bagi otak manusia untuk pembelajaran. Cerebrum terdiri atas empat bagian utama, yaitu lobus occipital, lobus frontal, lobus parietal, dan lobus temporal. Lobus occipital bertanggung jawab atas penglihatan. Lobus frontal memiliki andil terhadap tindakan-tindakan yang disengaja, seperti memberi penilaian, kreativitas, menyelesaikan masalah, dan merencanakan. Lobus parietalmempunyai tugas memproses sesuatu yang berhubungan dengan sensori yang lebih tinggi dan fungsi-fungsi bahasa. Sedangkan lobus temporal baertanggung jawab atas pendengaran, memori, pemaknaan, dan bahasa.
Pembelajaran dimulai pada tingkat sel mikroskopik. Unit fungsional dasar dari sistem saraf, yaitu neuron bertanggung jawab atas pemrosesan informasi yang disempurnakan melalui konversi sinyal-sinyal kimiawi menjadi sinyal elektrik dan kemudian kembali lagi. Dengan kata lain, pembelajaran melibatkan kelompok-kelompok atau jaringan-jaringan neuron. Kita dapat menumbuhkan sel-sel otak baru pada bagian yang disebut hipokampus. Pertumbuhan neuronal di bagian hipokampus merupakan akibat dari latihan, baik fisik maupun aktivitas berpikir yang kompleks, dan mendapat stimulus mental yang intens. Neuron yang berfungsi normal secara terus menerus menyalakan, mengintegrasikan dan mengolah informasi di sepanjang celah mikroskopik yang disebut sinapsis, yang menghubungkan antara satu sel dengan sel lainnya. Satu neuron dapat tehubung dengan seribu sampai sepuluh ribu sel sel lainnya, jadi tidak ada neuron yang merupakan titik terakhir.
Pada setiap tahap perkembangan, sejumlah gen tertentu dipengaruhi oleh faktor lingkungan tertentu. Kesiapan anak untuk belajar adalah masa puncak yang dapat mengoptimalisasikan selera anak untuk belajar, khususnya pembelajaran yang berhubungan dengan bahasa, musik, dan perkembangan motorik. Gen tidak membentuk pola pembelajaran, namun dapat merepresentasikan resiko atau kesempatan yang diperkaya. Contohnya yaitu, apabila seorang anak yang dilahirkan dengan gen seorang yang jenius, tetapi dibesarkan pada lingkungan yang tidak diperkaya, maka kesempatan untuk menjadi seorang yang jenius menjadi rendah, begitu juga sebaliknya. Di sisi lain, pengalaman-pengalaman menyenangkan, menstimulasi pelepasan kimiawi yang dapat mengembangkan pengalaman pembelajaran. Karena pada dasarnya faktor yang mempengaruhi pembelajaran dapat dikelompokkan menjadi 7, yaitu pra pembelajaran, pengalaman, sifat temperamen(emosi), gen, nutrisi, teman, dan disfungsi otak.
Pembelajaran yang optimal terjadi dalam tahapan yang dapat diprediksi, yang meliputi lima tahapan.
1.Tahap pra-pemaparan atau persiapan yang memberi kerangka kerja bagi pembelajaran baru yang mempersiapkan otak pebelajar dengan koneksi-koneksi yang memungkinkan. Tahap ini dapat meliputi sebuah tinjauan terhadap subjek. Semakin banyak stimulus pengantar, semakin cepat mereka menyerap dan memproses informasi baru. Pemrosesan ini merupakan salah satu karakteristik utama dari korteks otak kita. Petunjuk-petunjuk paling baik yang dapat dirangkai otak adalah petunjuk-petunjuk dalam format yang merangkai semua bagian.
2.Tahap akuisisi. Tahap ini dapat dicapai dengan menyediakan sarana langsung maupun tidak langsung. Sumber untuk akusisi ini dapat berupa diskusi, perkuliahan, peralatan visual, stimulus lingkungan, pengalaman praktis, manipulatif, video, refleksi, proyek-proyek kelompok, maupun aktivitas-aktivitas berpasangan. Penciptaan koneksi ini sangat bergantung pada pengetahuan sebelumnya.
3.Tahap elaborasi, yaitu mengeksplorasi interkoneksi dari topik-topik tersebut dan mendorong terjadinya pemahaman lebih dalam dan umpan balik dengan strategi pembelajaran eksplisit dan implisit. Strategi-strategi eksplisit seperti kunci jawaban, pemeriksaan oleh teman, tanya jawabb, atau pemutaran video dapat memberikan umpan balik yang sangat berharga bagi siswa. Tetapi umpan balik dari pebelajar juga dapat diberikan menggunakan strategi-strategi implisit seperti simulasi, permainan peran, model peran, kunjungan lapangan, serta pengalaman langsung. Elaborasi memeberi kesempatan kepada otak untuk menyortir, menyelidiki, menganalisis, menguji, dan memperdalam pembelajaran.
4.Tahap formasi memori, yaitu pembelajaran yang merekatkan pada ingatan. Ada faktor-faktor yang berkontribusi terhadap pembangkitan kembali, yaitu istirahat cukup, intensitas emosi, konteks, nutrisi, kuantitas dan kualitas penggabungan, tahap pengembangan, kondisi pebelajar, dan pembelajaran sebelumnya.
5.Tahap integrasi fungsional. Dapat menggunakan pembelajaran baru agar penanaman konsep lebih diperkuat.
Kita belajar ketika kita dapat menghubungkan pengetahuan dari satu area ke area lainnya, kemudian mempersonalisasikan.
