Perkembangan proses berpikir dapat dilihat dari perkembangan otak yang merupakan perubahan struktur dan fungsi otak sesuai dengan usia individu.
Perkembangan otak juga dapat diartikan sebagai proses berkelanjutan yang dimulai pada masa kehamilan minggu ketiga dengan diferensiasi pada sel saraf progenitor (sel yang belum memiliki fungsi yang spesifik) dan berkembang menuju kepada pembentukan sel saraf yang spesifik selama kehidupan, untuk dapat mengolah informasi dari lingkungan secara spesifik.
Faktor yang mempengaruhi perkembangan otak adalah proses pembentukan molekul gen yang memerlukan nutrisi yang cukup dan stimulus untuk memacu terbentuknya konektifitas antar sel saraf (wiring system), memicu timbulnya diferensiasi struktur dan fungsi saraf yang baru.
Perkembangan otak terus berlangsung sampai periode postnatal. Ukuran otak meningkat empat kali lipat selama periode pra sekolah, mencapai 90% dari volume orang dewasa saat usia 6 tahun. Namun perubahan structural gray matter dan white matter akan berlangsung sampai dengan dewasa serta perubahan paralel struktur fungsional yang tercermin pada perilaku dan pembelajaran.
Selama periode postnatal awal, tingkat konektivitas di seluruh bagian otak berkembang jauh melebihi orang dewasa.
Perkembangan otak memiliki hubungan dengan perkembangan murid, terutama dalam proses belajar. Hal ini dikarenakan perubahan pada struktur dan fungsi otak sejalan dengan bertambahnya usia murid, dimana untuk menilai perkembangan murid dapat dilihat dari 3 aspek, yaitu kognitif, afektif, dan psikomotor.
Ketiga aspek tersebut merupakan perwujudan dari manifestasi kematangan pertumbuhan otak pada piramida perkembangan otak murid, yang menempatkan ketiga aspek tersebut berada di puncak piramida. murid tidak dapat mencapai pertumbuhan ketiga aspek tersebut jika kesembilan belas aspek di bawahnya tidak matang atau siap.
Ketidakmatangan atau ketidaksiapan dari kesembilan belas aspek akan mempengaruhi kesiapan murid untuk belajar. Sembilan belas aspek ini yang merupakan potensi dalam diri murid yang harus distimulasi untuk menjadi kompetensi yang dapat digunakan oleh murid untuk proses belajar.
Murid dapat dikatakan siap belajar jika sudah memiliki kesembilan belas komponen yang berada di piramida perkembangan otak, dan 5 domain modal belajar, yaitu atensi, memori, visuospasial, literasi (bahasa), dan fungsi eksekutif.
Kelima domain tersebut dapat siap jika murid mendapatkan proses pembelajaran melalui pengulangan yang akan menjadi kebiasaan yang dapat dimunculkan oleh murid.
Bagian otak yang berfungsi pada proses pembelajaran ini adalah limbic system (emosi), yang dilakukan dengan memberikan kenyamanan rasa senang pada saat murid belajar yang juga akan merangsang perhatian murid pada sesuatu yang menyenangkan (atensi), dimana terlibat bagian-bagian otak depan (Frontal dan Prefrontal/keputusan), di samping (temporal/bahasa) bagian atas (paretal/sensori) dan bagian belakang (occipital/warna, bentuk) yang saling dihubungkan melalui proses pembelajaran yang diperkaya (asosiatif) untuk membangun suatu persepsi.
Dalam proses menuju kesiapan belajar, banyak bagian dan struktur otak yang berkembang, namun tidak hanya struktur otak saja yang berkembang alat indera sebagai penerima rangsang pertama pun harus matang. Karena alat indera merupakan pintu masuknya informasi dari lingkungan luar.
Setelah informasi dari luar masuk akan diteruskan ke bagian otak sesuai dengan alat indera yang menerima informasi tersebut, lalu akan terjadi proses informasi di otak. Informasi yang telah diproses di otak setelah selesai diolah akan dikeluarkan sebagai output sesuai dengan fungsinya.