Nörobilim alanında beynin işleyişine dair öne sürülen bulgular, öğrenmenin nasıl meydana geldiğini açıklamaya yönelik daha önce ileri sürülen yaklaşımlara yeni açılımlar sunmaktadır. Nörobiyolojik kuram açısından öğrenme, diğer kuramlardan farklı olarak biyokimyasal bir olay şeklinde öğrenmeyi tanımlar. Bu yaklaşımın daha iyi analiz edilmesi için beynin işleyişinin temel düzeyde öğrenilmesi, beynin yapı ve işleyişini açıklamayı amaçlayan modellerin bilinmesi ve öğrenmeye etki eden temel etmenlerin iyi anlaşılması gereklidir.
Öğrenme, bireyin çevresiyle etkileşime girmesiyle beyninde oluşan biyo-kimyasal değişiklikler sonucu meydana gelir. Öğrenme bireylerde bilişsel, duyuşsal ve hareketsel değişimlere sebep olur. Öğrenmenin bu etkileri, öğrenmenin nasıl meydana geldiği konusunda farklı kuramların doğmasına neden olmuştur. Öğrenmenin doğasını açıklamaya yönelik var olan kuramları; davranışçı, bilişsel, duyuşsal ve nörofizyolojik ya da beyin temelli kuram olarak sıralamak mümkündür.
Davranışçı kuram, öğrenmenin uyarıcı ile davranış arasında kurulan bağ sonucu geliştiğini ve pekiştirme ile davranış değişiminin meydana geldiğini savunmaktadır. Bu kuram, daha çok öğrenmenin edimsel sonuçlarıyla ilgilenir. Davranışçı kuramın temelinde kuramcılar beynin nasıl çalıştığını anlamaya çalışsalar da zamanın kısıtlı teknolojik imkanlarından dolayı davranışsal düzeydeki bulguların nörobiyolojik mekanizmalarla ilişkilendirilmesinden yoksun kalmıştır. Buna karşılık bilişsel kuramcılar; öğrenmenin, bireyin zihninde meydana gelen ve doğrudan gözlenemeyen bir süreç olduğunu söyler. Daha çok anlama, algılama, düşünme gibi olaylara odaklanan bilişsel kuram, öğrenmenin zihinsel sonuçları ile ilgilenmektedir. Duyuşsal kuramcılar ise öğrenmenin doğasından çok duyuşsal sonuçları ile ilgilenmektedir. Beyin ve sinir sistemi ile bilişsel davranışlarımız arasındaki ilişkiyi inceleyen nörobilim sayesinde ise, bellek, duygu, dikkat, örüntüleme gibi birçok değişken ile bunların öğrenmeye etkisi irdelenmektedir (Taşçıoğlu, 1994; Weiss, 2000; Thomas, 2001; Soylu, 2004).
Öğrenmenin nörobiyolojik temelleri birkaç düzeyde araştırılmaktadır (Alıcı, 2011). Öğrenme ile beyin hücreleri arasındaki ilişkiyi inceleyen araştırmacılar öğrenme süreci sonucunda nöronlarda yeni aksonların oluştuğunu öne sürerler. Buna göre, her öğrenme yaşantısı yeni sinaptik bağların oluşması demektir. Burada öğrenme, biyokimyasal bir değişme olarak açıklanmaya çalışılır. Burada farklı beyin bölgelerinin rolleri, öğrenmeye dair olgu ve süreçlerde rol oynayan hücreler araştırılır. Hücresel düzey tek tek hücrelerin tepkilerine, bağlantı düzeyi iki sinir hücresi arası sinaptik bağlantıda gerçekleşen sinyal iletimine ve moleküler düzey bir sinir hücresinin zarında ya da içinde gerçekleşen kimyasal etkileşimlere dair bilgi verir. Tüm bu düzeyler, öğrenmeye temel oluşturan nörobiyolojik mekanizmaların anlaşılması için çeşitli bulgulara ulaşılmasını sağlamıştır.
Beynin yapısını ve işleyişini kavramak amacıyla farklı bilim adamları tarafından çeşitli çalışmalar yürütülmüştür (Keleş & Çepni, 2006).
Beynin sağ ve sol yarım kürelerine dair model, beynin yapısı ve işlevlerine ışık tutmaktadır. Ornstein ve diğer araştırmacıların yaptığı çalışmalar beynin sol yarımküresinin matematik, dil ile ilgili fikirlerin işlenmesi, yazma, fikirlerin sınıflandırılması, sözel, mantıksal, analitik düşünme gibi işlevleri idare ettiğini ortaya koymaktadır. Sağ yarım küre ise sözel olmayan işlevlere yönelmekte; hayal gücü, renk, müzik, ritm, şekil ve şemaların (grafik, harita ve çizgiler) işlenmesi, sezginin kullanılması, uzaysal farkındalık, belirsizliklerle ilgilenme, rastlantısal ve açık uçlu fikirlerin işlenmesi ve görsel-uzaysal işlemleri yönetmektedir (Özden, 2003; Demirel, 2003; Dalrymyple, 2004; Gülpınar, 2005).
Neokorteks, görme, işitme gibi duyusal yeteneklerin yanında konuşma, yazma, soyut düşünme, örüntü oluşturma, kavram yapılandırma gibi üstün zihinsel kapasite gerektiren işlevleri de yürütmektedir. Neokorteks dört farklı alandan (lobdan) oluşmaktadır. Bunlar: ön lob (frontal), şakak lob (temporal), yan lob (parietal) ve arka lob (occipital) olarak sıralanmaktadır (Walsh, 1987; Kolb & Whishaw, 1990). Alnın arkasında bulunan ön lob bilinçli kararların alındığı, planlama ve karar vermenin gerçekleştirildiği, bir anlamda hayatta kalma mekanizmamızı işleten bir alandır. Limbik sistemden gelen uyaranları işleyen bu alan sosyal davranışlarımızı kontrol eder. Bu loblar duyusal verilerin işlenildiği bölgelerdir. Öğrenilenlerin kalıcı olması için bilgilerin neokorteksin farklı alanlarına kaydedilmesi gerekmektedir. Bu şekilde bilgileri daha kalıcı olması sağlanır (Özden, 2003).
Günümüzde MRI (Magnetic Resources Imaging), fMRI (Functional MRI) ve PET (Position Emission Tomography) gibi yeni teknolojiler kullanılarak testler yürütülmekte, beyni çalışan bir kişinin beynindeki nöronların durumunu renkli olarak pozitron emisyonu tomografisi ve Nükleer Magnetik Rezonans Resimleyicisi (NMRI) gibi sistemlerle görüntülenebilmekte, böylelikle öğrenme ve beyin yapısına dair daha detaylı bilgiler elde edilebilmektedir (Taşçıoğlu, 1994; Weiss, 2000; Thomas, 2001; Soylu, 2004).
90’lı yılların başından bu yana beyin ve öğrenme konusunda yapılan araştırma sonuçları bilim adamlarını yeni yöntemler kullanmaya yöneltmiştir. Son yirmi yılda yapılan araştırmalar insan beyninin asla durmadığını aksine değiştiği ve yeniliklere uyum sağladığını göstermiştir (Chudler, 2005). Günümüzdeki araştırmalar artık beynin durumsal bir özellik göstermesinin yanı sıra öğrenmenin zihinsel bir etkinlik olarak ele alınması gerektiğini savunur.
Beynimiz sinir hücreleriyle örülmüş ağ şeklindeki yapısı yeni bilgilerin önceki bilgilerle birleştirilmesi daha önce edindiğimiz bilgilerin geri çağrılmasını sağlamaktadır (Weiss, 2000). Beyindeki sinaptik bağlantılar ne kadar sık kullanılırsa o kadar kuvvetlenir. Kullanılmadığı zaman ise ölür ve kaybolur. Beynin gelişimi bu sinaptik bağlantıların oluşturulması (budak salma) ve budanması sürecini kapsar. Öğretim ya da deneyimler yoluyla elde edilen yeni bilgi ve beceriler beyinde sürekli olarak işlevsel bir değişime neden olmaktadır. Öğrenme meydana geldiğinde daha fazla dentrit bağlantısı meydana gelmekte, bunlar da bilgileri birbirine bağlamaktadır (Weiss, 2000; Strickland, 2003; Wolfe, 2004). Yapılan çalışmalarda belirli uyaranlara tepki veren alanlardaki nöronlarda dentritlerin daha fazla dal verdiği ve yayıldığı görülmüştür (Spinelli ve diğ., 1989). Daha sonraki beyin izleme çalışmalarında ise bir uyarana maruz bırakıldığında bu uyaranları işleyen beyin bölgelerinin genişlediği ve yayıldığına dair bulgular elde edilmiştir. Uyaran yoksunluğunun ise aksi şekilde ilgili bölgelerin daralmasına neden olduğu görülmektedir.
Öğrenme sırasında, beynin birçok farklı bölgesi etkin olduğu gibi hücre içi ve hücreler arası birçok biyolojik ve kimyasal gelişim de öğrenme sürecinde etkilidir. Öğrenmedeki süreçlerin ve bu sürecin sonunda oluşan değişimlerin anlaşılması beyin işleyişini daha iyi anlamaya yardımcı olacaktır.
Öğrenme oldukça karmaşık, bilinmez ve anlaşılması zor bir olay, durumdur. Bireyin maruz kaldığı ve öğrenme ile sonuçlanan durumların neler içerdiği, bireyde ne gibi zihinsel, psikolojik, biyolojik değişikliklere neden olduğu yüzyıllardan beri incelenen bir konudur. Ancak son yıllarda nörobilim alanındaki keşifler, daha önce öğrenildiği var sayılan bilgilerin daha sağlam temellere oturtulmasını ve daha önce hiç düşünmeyenleri görebilme fırsatı sağlaması bakımından merak uyandırıcıdır.