Vẫn chưa thể đưa ra lời giải thích sinh lý đầy đủ về các hiện tượng tâm lý của tư duy, trí nhớ và học tập. Người ta tin rằng tư duy dựa trên các quá trình sinh lý phức tạp liên quan đến việc truyền các xung thần kinh dọc theo các đường dẫn thần kinh nhất định trong não. Có thể suy nghĩ này hoặc suy nghĩ kia có liên quan đến việc truyền các xung thần kinh dọc theo một mạch thần kinh khép kín.
Loại mạch này có thể bao gồm từ nửa tá đến vài trăm tế bào thần kinh trở lên và có thể được kích hoạt bằng các xung cảm giác hoặc các xung phát sinh tự phát trong não. Theo lý thuyết này, suy nghĩ thay đổi khi các xung thần kinh truyền dọc theo một mạch “dội dội” khác được hình thành bởi một nhóm tế bào thần kinh khác. Ký ức là những suy nghĩ xảy ra một thời gian (tính bằng phút, tháng hoặc năm) sau khi những suy nghĩ đó xuất hiện lần đầu và dường như được gây ra bởi sự tuần hoàn của các xung trong mạch thần kinh.
Có ý kiến cho rằng việc truyền xung liên tục qua các khớp thần kinh của một mạch nhất định sẽ dẫn đến giảm điện trở ở các khớp thần kinh này và làm tăng khả năng dẫn truyền xung thần kinh của mạch. Quá trình học tập có thể liên quan đến việc sử dụng lặp đi lặp lại một con đường thần kinh cụ thể, cuối cùng dẫn đến sự giảm đáng kể sức đề kháng của khớp thần kinh. Trong những năm gần đây, người ta đưa ra giả thuyết rằng trí nhớ có liên quan đến quá trình tổng hợp RNA và mỗi sự kiện được ghi nhớ đều được mã hóa trong hệ thần kinh trung ương bằng các chuỗi nucleotide cụ thể trong RNA.
Mối tương quan thú vị đã được thiết lập giữa tốc độ luân chuyển RNA và hoạt động thần kinh, nhưng cơ sở sinh lý và sinh hóa của trí nhớ vẫn chưa rõ ràng. Một số thí nghiệm, chẳng hạn như những thí nghiệm trong đó động vật học cách di chuyển trong mê cung để kiếm thức ăn hoặc tránh bị điện giật, đã nhấn mạnh vai trò của việc thử và sai trong quá trình học tập. Ở các động vật có vú cao hơn - khỉ và con người - chúng ta cũng tìm thấy hiện tượng “hiểu biết”, hay sự xuất hiện của một “ý tưởng”.
Sau một vài thử nghiệm được thực hiện ngẫu nhiên, đối tượng nắm được bản chất của giải pháp cho vấn đề và sau đó giải quyết nó một cách thành công. Tâm trạng và cảm xúc. Các hiện tượng như tâm trạng, cảm xúc cũng như tính cách nói chung cũng phụ thuộc vào hoạt động của vỏ não nhưng cơ chế thần kinh cơ bản vẫn chưa được làm rõ.
Những biểu hiện này cũng như các hoạt động khác của các trung tâm não cao hơn bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi trạng thái sinh lý của cơ thể; Trạng thái tâm lý có thể bị ảnh hưởng đáng kể bởi trạng thái của dạ dày. Các hormone của các tuyến nội tiết khác nhau cũng ảnh hưởng đến hoạt động của não; ví dụ, nhiều phụ nữ trải qua giai đoạn trầm cảm tinh thần ngay trước và trong thời kỳ kinh nguyệt, và thời kỳ mãn kinh (giai đoạn chu kỳ kinh nguyệt dừng lại, thường ở độ tuổi 40-50) thường đi kèm với những rối loạn tinh thần và cảm xúc sâu sắc.