长期以来，神经科学家们一直认为，当我们学习时，大脑只会加强神经元之间的突触联系。然而，近年来的一些新研究表明，神经元间突触连接的增强并不能完全解释学习过程中大脑的变化。最令人惊讶的发现之一是，当我们学习和记忆时，神经元轴突上的"绝缘层"厚度会发生变化，而厚度的这种变化可以调节神经信号的传递，并使大脑不同部位神经元的电活动同步--这在我们的学习和记忆过程中起着关键作用。

人脑是如何完成学习任务的？"这一领域的研究可以追溯到伊万·帕夫洛夫(IvanPavlov)的经典反射实验。在这个实验中，他发现狗一听到铃声，就会流口水。1949年，加拿大心理学家唐纳德·赫布(DonaldHebb)用帕夫洛夫的"联想学习法则"(AssociativelearningRule)解释了脑细胞获得新知识的机制。赫伯认为，当两个神经元同时被激活并产生信号时，它们之间的突触联系就会变得更强。如果发生这种情况，大脑正在学习。这一观点导致了一种被广泛接受的理论，即放电在一起的神经元是由突触连接起来的。

这一理论详细描述了学习过程中分子水平上突触的变化，并得到了大量证据的支持。然而，并不是所有的奖励或惩罚都被记住，事实上，大多数的经历都被遗忘了。有时，即使突触可以一起激活，它们也没有连接在一起。我们的大脑是否能保留记忆取决于许多因素，比如我们对一种经历的情感反应；它是否是一种全新的体验；这种经历何时何地发生。然后，当我们睡觉的时候，我们的大脑会处理这些想法和感觉。到目前为止，我们一直关注的是突触，我们对大脑学习和记忆的机制也有一些粗略的理解。

事实证明，仅仅加强突触是不可能产生记忆的。为了形成连贯的记忆，整个大脑需要产生许多变化。无论是在昨晚的晚宴上记住与客人的对话，还是学习骑自行车等技能，大脑许多不同部位的数百万神经元都需要产生神经活动，形成对情绪、图片、声音、气味、事件和其他经历的连贯记忆。

因为学习过程涉及到生活经验的许多要素，在这个过程中，除了突触的变化，还必须有许多其他细胞活动的参与。这一认识也促使科学家们找到新的方法来理解神经信号是如何在大脑中传递、处理和存储的，从而使大脑能够完成学习过程。在过去的十年里，神经科学家已经意识到，人脑表面的灰质并不是唯一涉及永久记忆形成的区域。研究发现大脑皮层下方的区域在学习中也起着关键作用。近年来，我的研究团队和其他研究人员通过一系列的研究来说明这一过程。这些研究有助于寻找治疗精神和发育障碍的新方法，这些障碍往往与学习障碍有关。

如果突触的增强不足以解释学习过程中大脑中发生的变化，那么当学习新事物时大脑会发生什么变化？现在，研究人员可以使用磁共振成像(MRI)观察大脑的结构。当仔细检查MRI的结果时，研究人员开始注意到，某些高超技能的人在大脑结构上存在差异，比如听觉皮质比其他人更厚的音乐家。研究人员最初推测大脑结构上的细微差异使单簧管演奏者和钢琴家更擅长学习音乐技能，但随后的研究证实，学习过程改变了大脑的结构。