Стремительные изменения размеров и пропорций тела являются зримым свидетельством роста ребенка, но параллельно с этим происходят невидимые физиологические изменения в головном мозге. Когда дети достигают 5-летнего возраста, их головной мозг становится по своим размерам почти таким же, как у взрослого человека. Его развитие способствует осуществлению более сложных процессов научения, разрешения проблем и употребления языка; в свою очередь, перцептивная и моторная деятельность вносят свой вклад в создание и укрепление межнейронных связей.
Развитие нейронов, 100 или 200 миллиардов специализированных клеток, составляющих нервную систему, начинается еще в эмбриональном и фетальном периодах и практически завершается к моменту родов. Глиальные клетки, выполняющие функцию изоляции нейронов и повышающие эффективность передачи нервных импульсов, продолжают расти в течение всего 2-го года жизни. Быстрый рост размера нейронов, количества глиальных клеток и сложности синапсов (межнейронных областей контакта) является причиной интенсивного развития мозга в период с младенчества до 2-летия, который продолжается (хотя и немного снизив темп) в течение всего раннего детства. Интенсивное развитие мозга является временем значительной пластичности или гибкости, на протяжении которого ребенок гораздо быстрее и с большей вероятностью восстановится после повреждения мозга, чем в старшем возрасте; взрослые не обладают свойством пластичности.
Происходящее в раннем детстве созревание центральной нервной системы (ЦНС) также включает в себя миелинизацию (образование защитного слоя из изолирующих клеток — миелиновой оболочки, которая покрывает быстродействующие проводящие пути ЦНС) (Cratty, 1986). Миелинизация проводящих путей моторных рефлексов и зрительного анализатора происходит в раннем младенчестве. В дальнейшем миелинизируются двигательные пути, необходимые в организации более сложных движений, и, наконец, волокна, пути и структуры управляющие вниманием, зрительно-моторной координацией, процессами памяти и научения. Наряду с развитием головного мозга продолжающаяся миелинизация ЦНС коррелирует с ростом когнитивных и двигательных способностей и качеств ребенка в дошкольные годы и позже.
В то же время социализация, происходящая в результате уникального опыта каждого ребенка, повышает количество синапсов некоторых нейронов и уничтожает, или «купирует» синапсы других. Как объясняют Элисон Гопник и ее коллеги, нейроны в мозге новорожденного в среднем имеют примерно по 2500 синапсов, а к возрасту 2-3 лет их число у каждого нейрона достигает максимального уровня — 15 000, что, в свою очередь, гораздо больше, чем это характерно для мозга взрослого человека. Как говорят исследователи: Что происходит с этими нервными связями, когда мы становимся старше? Мозг не занимается постоянно созданием все большего числа синапсов. Вместо этого он создает множество связей, в которых нуждается, а затем от многих из них избавляется. Оказывается, что удаление старых связей — столь же важный процесс, как и создание новых. Синапсы, которые несут наибольшее количество сообщений, становятся сильнее и выживают, тогда как слабые синаптические связи обрываются... В возрасте между 10 годами и наступлением пубертата мозг безжалостно разрушает свои самые слабые синапсы, сохраняя только доказавшие на практике свою полезность.