התניה אופרנטית היא למידה המתבססת על חיזוקים שמתקבלים כתגובה להתנהגות מסוימת. קבלת גמול חיובי מגדילה את הסיכוי לביצוע של אותה ההתנהגות בעתיד, וקבלת גמול שלילי (עונש) מקטינה את ההסתברות לכך. בנוסף לתהליכים המתרחשים בדומה להתניה קלאסית, צורה זו של למידה מערבת את מערכת החיזוק במוח. מנגנון החיזוק העיקרי במוח מערב הפרשה של המוליך העצבי דופמין לתוך גרעין האקומבנס ואזורים נוספים, זאת כתגובה לגירויים שנתפסים כחיוביים. הפרשת הדופמין תורמת להגברה ארוכת טווח, ובכך היא מגדילה את הסיכוי שהאדם יחזור בעתיד על אותה ההתנהגות, שהביאה כאמור לתוצאות חיוביות. מנגנון זה קשור להיבטים שונים של מוטיבציה, וגם ליצירת תופעות של התמכרות.
זיכרון מהווה גם הוא סוג של למידה. המושג 'זיכרון' מזוהה לרוב עם זיכרון דקלרטיבי, כלומר היכולת לזכור, לדמיין ולתאר מידע שקלטנו (זיכרון סמנטי) או אירוע שחווינו בעבר (זיכרון אפיזודי). בניגוד לסוגי הלמידה שהוזכרו עד כה, צורה זו של למידה היא בהגדרתה מודעת. יצירה של זיכרונות מודעים מתבצעת על ידי ההיפוקמפוס, אשר מקבל מידע מאזורים שונים של המוח וככל הנראה יוצר את הקישורים המאפשרים לנו לאחד את מרכיביו השונים של הזיכרון ואת היחסים ביניהם.
ההיפוקמפוס (בעיקר בהמיספרה הימנית של המוח) מעורב גם ביצירה של זיכרון מרחבי.
רגש.
מחקרים רבים מצאו קשר בין אזורים ותהליכים שונים במוח לבין תגובות רגשיות שונות. בעבר היה נהוג להתייחס לאזורים במוח העוסקים ברגש בתור המערכת הלימבית, אם כי ההגדרה של מערכת זו השתנתה מאוד לאורך השנים. כיום מקובל יותר לזהות את המעגלים העצביים הספציפיים שמעורבים בהיבטים שונים של יצירה, זיהוי והבעה של רגשות.
סוגים שונים של רגשות פועלים במסלולים עצביים נפרדים במוח:
הפעלה חזקה של מערכות הרגש גוררת במקרים רבים הפעלה של מערכת העצבים הסימפתטית, דבר המתבטא בין השאר בעלייה בקצב הלב ולחץ הדם.
הפעילות של חלקים מסוימים באזור הקדם־מצחי חשובה לוויסות ומיתון של התגובות הרגשיות, ולמניעת תגובות מוגזמות למשל אגרסיביות יתר או חרדה בלתי פוסקת. המוליך העצבי סרוטונין ממלא תפקיד מרכזי בתהליכים של ויסות הרגש ומצב הרוח.
זיהוי ויצירה של הבעות פנים הם גורם משמעותי במערכות הרגש באדם. זיהוי הרגשות מערב לעיתים את אותם המבנים שמופעלים בעת הבעת הרגש (האמיגדלה, למשל, מזהה הבעות פנים של פחד). כמו כן, הבנת רגשות האחר נקשרה לפעילות של נוירוני מראה במוח. כאשר אנו רואים הבעת פנים של אדם אחר, נוירוני המראה מייצגים את הפעולה של יצירת הבעת הפנים הזו במוחנו שלנו, ואחת ההשערות היא שבכך אנו חשים אמפתיה ו'מבינים' כיצד אחרים מרגישים. יצירת הבעות הפנים מתבצעת בשני מסלולים עצביים נפרדים. במסלול אחד, תחושה אמיתית של רגש גורמת באופן בלתי רצוני להיווצרות הבעת הפנים המתאימה, ובמסלול שני האדם יוצר באופן רצוני הבעות פנים 'מזויפות'.
מחקרי דימות מוחי מראים כי מנגנוני הזיהוי של המאפיין הרגשי בהבעות פנים או בטון הדיבור נוטים להיות דומיננטיים להמיספרה הימנית של המוח, וזהו ככל הנראה המצב גם בהקשר להבעת רגשות.
שפה.
העיסוק בשפה במוח אינו מוגבל לאזור אחד - רוב החשיבה המודעת מערבת תהליכי קידוד מילוליים. עם זאת, ישנם אזורים המרכזים את התהליכים הקשורים בעיבוד והפקה של שפה, כמו הבנת כללי הדקדוק.
אצל מרבית בני האדם (אך לא כולם) קיימת דומיננטיות של ההמיספרה השמאלית בפונקציות הקשורות לשפה. זוהו שני אזורים ספציפיים בקליפת המוח אשר ממלאים תפקידים בתחום זה - אזור ברוקה, הממוקם באונה המצחית, מטפל בעיקר בהפקה של דיבור, ואזור ורניקה באונה הרקתית אחראי על הבנה של שפה מדוברת וכתובה.
עוררות ושינה.
הפעילות במוח נעה בין רמות שונות של עוררות, המכתיבות את רמת הפעילות במוח ואת תשומת הלב לגירויים חיצוניים. עוררות מוגברת נקבעת על ידי מספר מוליכים עצביים המופרשים מגרעינים שונים של תאי עצב, בין השאר בתצורה הרשתית של גזע המוח ובהיפותלמוס. קבוצה אחרת של תאי עצב, הממוקמת גם היא בהיפותלמוס, מקדמת הפחתה של העוררות והפעילות במוח וכניסה למצב של שינה. שתי המערכות מתנגדות בפעילותן זו לזו ואינן יכולות לפעול במקביל, והמעבר ביניהן גורר מעבר בין מצבי ערות לבין מצב של שינה. מנגנון זה מווסת גם על ידי הגרעין העל־תצלובתי בהיפותלמוס, שמנהל את השעון הביולוגי של הגוף.
השינה מורכבת ממספר שלבים. נהוג לאפיין את מצבי העירות והשינה בעזרת הדפוסים שנמדדים על ידי מכשיר אלקטרואנצפלוגרם (EEG), המכונים 'גלי מוח'. דפוסים אלה משקפים מאפיינים כלליים של הפעילות החשמלית במוח. בעוד עירנות גבוהה מתאפיינת בהיעדר סינכרון בין רשתות תאי העצב, בשינה עמוקה הם פועלים בצורה סדירה ומתואמת יותר. לעומת זאת, בשנת רע"מ (REM), הנשלטת על ידי הפונס, הפעילות המוחית דומה יותר לזו שמתקיימת בזמן ערות. זהו השלב בשינה שבו נחווים חלומות, ובמהלכו ישנה הפעלה של קליפת המוח באזורים האחראים על קלט חושי, פעילות מוטורית ושפה. בשלב זה של השינה שרירי השלד משותקים ומונעים מהאדם להוציא לפועל את החוויות מהחלום.
שינויים במוח במהלך החיים.
המוח עובר שינויים מרחיקי לכת במהלך החיים, אשר מושפעים לא רק מתהליכי התפתחות קבועים מראש ומגורמים גנטיים אלא גם מהסביבה והחוויות של כל אדם ואדם.
הניסיון תורם להתפתחות המוח.
הקישוריות בין תאי העצב, שעליה מתבססת כל פעולת המוח, היא מאוד דינמית הודות לפלסטיות של מערכת העצבים. באופן זה תהליכים של למידה גורמים לסינפסות ספציפיות במוח להתחזק או להיחלש. בנוסף, כל הזמן נוצרות סינפסות חדשות או נהרסות אחרות. השינוי בקישורים בין תאי העצב ובעוצמתם משפיע על פעילותן של רשתות עצביות ובהתאם משנה גם את התגובה לגירויים ואת ההתנהגות.
השינויים הדרמטיים ביותר מתרחשים בחודשי החיים הראשונים. בעוד בשעת הלידה גודל המוח האנושי הוא כ־25-30% מגודלו של מוח בוגר, בגיל שנתיים המספר כבר מתקרב ל־80%. בשלבים הראשונים של ההתפתחות המוח מסתעף בצורה ניכרת ונוצרות טריליוני סינפסות חדשות. לאורך הילדות וההתבגרות מספרם של תאי העצב ושל הסינפסות דווקא פוחת בצורה ניכרת, ובסוף גיל ההתבגרות מתגבש ומתייצב מבנה הקישורים של מוח בוגר. גם לאחר גיל ההתבגרות, למידה והשפעות סביבתיות ממשיכות לעצב את המוח ואת הקישורים בתוכו, אך לרוב בצורה מתונה יותר. תמותת תאי העצב ממשיכה אף היא - אצל אדם בוגר מתים כ־85,000 תאי עצב מדי יום.
אחד התהליכים החשובים בהתפתחות המוח הצעיר הוא יצירת מעטה המיאלין סביב האקסונים של תאי העצב. מעטה זה מגביר את הבידוד החשמלי של האקסונים, ובכך מאפשר להם להוליך דחפים עצביים במהירות רבה יותר.
בניגוד ליתר התאים בגוף, תאי העצב במוח אינם עוברים חלוקה תאית. משמעות הדבר היא שכמעט לא נוצרים במוח תאי עצב חדשים במהלך החיים. במשך שנים הדעה הרווחת הייתה שמצב זה הוא אבסולוטי, וכי כל תאי העצב במוחו של אדם נמצאים שם מאז לידתו. בסוף המאה ה־20 התגלה כי תפיסה זו אינה נכונה, וכי באזורים מסוימים במוח מתקיים תהליך של נוירוגנזה, שבו נוצרים תאי עצב חדשים מתוך תאי גזע. משמעותו וחשיבותו של תהליך הנוירוגנזה טרם הובררו לחלוטין.
מודעות והמוח.
עדויות רבות מראות כי מודעות אינה מאפיין כללי של פעולת מוח האדם. אמנם תהליכים של חשיבה וקבלת החלטות מודעת הם חלק מהותי מההוויה האנושית, אך רבים ממנגנוני הפעולה של המוח כלל אינם מערבים חשיבה מודעת של האדם.
דוגמה אחת לכך היא התופעה של ראייה עיוורת. תופעה זו נצפתה בקרב אנשים שהתעוורו עקב פגיעה בקליפת הראייה הראשונית שבאונה העורפית. אף על פי שהם מדווחים כי אינם רואים דבר, ניסויים הראו כי נבדקים בעלי ראייה עיוורת מסוגלים לבצע פעולות מסוימות המצריכות ראייה, כמו להבחין בכיוון התנועה של גירויים חזותיים או להבחין בין גירויים שונים המוצגים להם. אחד ההסברים לתופעה הוא שבנוסף למסלול הראייה שמגיע לקליפת הראייה שנפגעה, קיים מסלול 'פרימיטיבי' יותר שעובר דרך גזע המוח (אשר לא ניזוק). פעילותו של מסלול זה מאפשרת לאדם 'לראות' ולהגיב בהתאם, אך כיוון שאזורים אלה אינם מערבים חשיבה מודעת, האדם מדווח שלא ראה דבר וכלל אינו יודע להסביר את תגובותיו המדויקות לגירויים.
על הקשר בין מודעות ותפקודן של שתי ההמיספרות במוח ניתן ללמוד מאנשים בעלי מוח חצוי - חולי אפילפסיה קשים שעברו פרוצדורה של הסרת כפיס המוח על מנת למנוע התקפים אפילפטיים. בעקבות הניתוח, ההמיספרה הימנית והשמאלית מנותקות כמעט לחלוטין אחת מהשנייה ובקושי יכולות להעביר מסרים ביניהן. אף על פי שהניתוק אינו גורם לרוב לפגיעה קשה בתפקוד היומיומי, השפעותיו מלמדות על הקשר בין ההמיספרות ותפקידן במודעות:
הבעיה הפסיכופיזית.
המוח הוא המקום שבו שזורים הפיזי והנפשי זה בזה. על טבעו החידתי של שילוב זה יכולות להעיד, בין השאר, העובדות הבאות:
תפיסות קדם־מדעיות של המוח.
אזכור למילה "מוח" נמצא כבר לפני אלפי שנים בכתב חרטומים.
עם זאת, במשך שנים רבות מתחילת ההיסטוריה האנושית לא היה ידוע על חשיבותו של המוח כאיבר האחראי לתודעה ולחשיבה ולמרכזה הביולוגי של החוויה האנושית. על ידי הוצאת המוח מהגוף בניתוח שאחרי המוות מתגלה ג'ל בגוון ורוד־אפרפר, ולכן אין זה מפתיע שהקדמונים לא הכירו בחשיבותו. לכך תרמה גם העובדה שהמוח אינו רגיש במיוחד לכאב, ועל כן פגיעה קלה בו אינה טראומטית.