如果神经突触的增强不足以说明大脑在学习时发生的变化，那么在学习新东西时大脑中会发生什么？现在，研究人员能利用磁共振成像（MRI）观察大脑结构。在仔细检查磁共振成像的结果时，研究人员开始注意到，具有某些特定高超技能的人与普通人的大脑结构存在差异，例如音乐家的听觉皮层比其他人更厚。对此，研究人员最初的推测是，大脑结构上的细微差异让单簧管演奏家和钢琴家更善于学习音乐技能，但后续研究证实，是学习过程改变了大脑的结构。
能让脑组织发生改变的学习类型，并不局限于一些重复的动作训练，例如演奏乐器。瑞士洛桑大学的神经科学家波格丹·德拉甘基（Bogdan Draganski）和同事证实，当医学生在考试前努力复习之后，他们大脑中的灰质体积就会增加。大脑中多种细胞的变化会增加灰质的体积，比如形成新的神经元和胶质细胞（非神经元细胞）。另外灰质中血管的变化，轴突和树突的生长和萎缩，也可能会使灰质体积发生变化。
值得注意的是，在学习过程中，大脑在生理结构上的变化速度可能比预期更快。以色列特拉维夫大学的亚尼夫·阿萨夫（Yaniv Assaf）和同事表示，在玩电脑游戏时，新玩家围绕赛道跑16圈就足以使大脑的海马区发生变化。在游戏中，玩家经常要用到导航功能，而这个功能与空间学习能力有非常密切的关系，因此与空间学习有关的海马区发生变化是合理的。但是，阿萨夫以及其他研究人员，特别是英国牛津大学的海迪·约翰森-伯格（Heidi Johansen-Berg）还惊讶地发现，一些意想不到的大脑区域也发生了变化，包括没有神经元或突触的区域，如大脑白质。
由于人类的意识源于大脑皮层，因此研究人员希望在大脑的灰质中找到由学习引起的变化。在大脑皮层之下，有数十亿个紧密堆积的轴突束（神经纤维），将灰质中的神经元连接到神经通路中。
由于轴突上覆盖有髓磷脂（一种脂质），这些轴突束是白色的，因此大脑的这个部位也被称为白质（white matter）。髓磷脂具有绝缘作用，能使电信号在轴突中的传输速度提高50~100倍。由白质损伤导致的相关疾病是一个重要的研究领域，但是直到最近，科学家发现了髓磷脂可能在信息处理和学习中发挥作用，这一领域才得到足够的关注。
在过去10年中，很多科学家通过大脑成像技术来寻找大脑白质的差异，并研究了一些具有高超技能的专家的大脑，比如在阅读或计算方面非常厉害的人。结果发现，不仅专业杂技演员和高尔夫球职业选手的大脑白质与业余爱好者存在差异，智商不同的人的大脑白质也有差异。如果信息处理和学习只来自灰质中神经元之间神经突触连接的增强，那为什么学习会影响大脑皮层下的轴突束呢？
