根據大腦生理學的研究，兒童大腦重量的增加並不是腦神經細胞的增殖，而主要是神經細胞結構的複雜化和神經纖維的伸長。
腦是人體優先發育的器官，出生時新生兒的腦重量已達到成年人腦重的25%。出生後兒童腦的重量隨著年齡以先快後慢的速度增長，第一年的腦重量增加最快，2.5-3歲時腦重發展到相當成年人腦重的75%。此後幾年發展漸慢，到6-7歲接近成人水平，占成人腦重的90%，此後緩慢增長，到20歲時停止增長。
新生兒的大腦皮質表麵較光滑，溝回很淺，構造十分簡單，以後神經細胞突觸數量和長度增加，細胞體積增大，神經纖維開始向不同方向延伸，越來越多地深入到皮質各層。以此同時，神經纖維的髓鞘化逐漸完成，髓鞘化是腦內部成熟的重要標誌。髓鞘化保證了神經興奮沿著一定路線迅速傳導。新生兒的腦低級部位（脊髓、腦幹）已開始髓鞘化。以後先是與感覺運動有關的部位，後是與智慧活動直接有關的額葉、頂葉區髓鞘化。6歲末幾乎所有的皮質傳導通路都已髓鞘化。
我們知道人的中樞神經係統有1000億個神經細胞和大約9000億個神經膠質細胞組成，從胎兒3個月開始神經細胞迅速增長，每分鍾超過25萬個。人類新生兒是在腦未成熟的狀態下出生的，也就是新生兒的大腦還不能正常發揮功能。因此生後還要繼續生長發育，繼續完善大腦的功能。到一歲腦的重量已達到成人的1/2.0～3歲是人的一生中大腦發育最快的時候。
神經係統發育既有階段性又有連續性，既有可變性又有代償性。所謂的連續性是指神經係統發育連續不斷，階段性是指神經係統在某一階段有其敏感期（或叫關鍵期），在這個階段應該完成的功能就應該完成，錯過了就可能終生難以彌補。所謂的可變性和代償性是指腦組織在受損壞後，在關鍵期內其它的腦細胞可以代替它的功能。
科學家研究發現，嬰幼兒腦組織的發育還離不開一個豐富多彩的環境和給予嬰幼兒各種刺激及教育機會。例如：我國明代朱棣奪取王位時，為了鞏固王位，又不遭天下人的議論，陰謀險惡，將建文帝的幼子關了50年之久，雖然每天供給食物維持生命，但是不讓他接受外界任何教育和刺激，而且環境單調。所以釋放時已成白癡。又例如：1970年在美國加利福尼亞發現一個“人工野孩”吉妮，孩子出生時是正常新生兒，在嬰兒起也是正常的。但是從第20個月就被她的父親關閉在小屋裏，無人理睬，孩子長到13歲才被發現救出。後來科學家對她進行了8年的教育和研究，最後認定：吉妮的大腦由於缺乏早期生活經驗熏陶和教育已經受到永久性的損害，不可能恢複。因為錯過了生活經驗發育的關鍵期，這種隔離發生的越早，造成的損害就越嚴重。也就是說在關鍵期內越早給孩子進行教育，孩子的大腦就越聰明，靈活。
對於關鍵期，不同的人也不完全一致，存在著一定的個體差異，在腦的發展過程中存在著不平衡性：
孩子4～6個月是吞咽咀嚼關鍵期；
8～9個月是分辨大小，多少關鍵期；
7～10個月是爬的關鍵期；
10～12個月是站走的關鍵期；
2～3歲是口頭語言發育的關鍵期；也是計數發展的關鍵期；