（一）注意
注意是心理活动对一定对象的选择和集中。注意的选择需要边缘叶和大脑额叶的参与，还与海马以及与之联系的尾状核有关。临床研究表明，这些组织若出现损伤，患者的选择性注意将产生严重障碍。例如，中心线附近深部肿瘤的患者并不表现出认识、动作、言语或形式逻辑过程的明显障碍，但心理过程的选择性却遭到破坏；患者高度分心，很快中断主动的、有目的的行动。
注意的另一特性为警觉。人要想把注意力集中到精神生活的某些方面，必须处于警觉状态。警觉是与警戒或唤醒紧密相联的一种注意形式，指注意在一定对象上的强度特征，网状激活系统功能在此起了重要作用。此外，其他脑区可能也参与了注意的警觉功能。如通过对脑损伤患者注意维持和警觉功能进行探讨发现，脑损伤患者存在注意维持和警觉功能受损；而由于患者脑损伤部位涉及多个脑区，损伤程度相近者病变部位并不一致，说明参与注意维持与警觉功能调节的脑区并不局限于某一部位。
总之，注意和多个脑区相联系，它既不是某一脑区的特性，也不是全部脑区的功能。它是通过一系列脑区的神经网络活动来实现的。
（二）感知
感觉是人们对客观事物个别属性的反映，知觉则是对其各种属性的综合反映。感知是个体认识世界的第一步。人的各种感觉器官将所感受到的感觉刺激，通过感觉冲动沿着神经通路将信息以物理化学的方式传到大脑皮层相应区域，从而使人对周围环境的存在有感知、有认识。
感觉信息首先被传递到大脑相应的初级感觉区，此时引起简单粗糙的感觉，如手脚发麻、针刺感或看到闪光、火星或听到“沙沙”“咝咝”等声音。初级感觉区破坏，则大脑无法形成感觉，发生“视而不见”“听而不闻”等现象。
感觉信息的进一步加工是在初级感觉区附近的感觉联络区。只有在这里，信息才升华到具体“成形”的感知。如果初级感觉区保留，而感觉联络区有损害，则患者能感受到，但不具体，不“成形”，因此也就不能理解。如枕叶初级视觉中枢完好，而相邻视觉联络区受损，则患者虽然并不失明，但看不懂。
对感觉联络区产生的“成形”感觉，大脑进一步进行综合，并与经验对照比较，最后产生有声有色有情的复合感知。这就是感觉总联络区的功能。感觉总联络区（感觉联络区的联络区）位于颞上回后部和角回前部。当感觉总联络区受到刺激时，可产生复杂的幻觉，如童年情景在眼前重现、亲友谈话片段或乐曲旋律的重新体验等。这种旧境“重现”“重演”，有声有色，栩栩如生，甚至包括当时的感情色彩、思维反应都丝毫不变地一起伴随出现。所以通过感觉总联络区，人产生的知觉才是完整的、丰富的。
大脑某些区域受损伤后，往往出现知觉障碍。如任何一侧顶叶损伤会引起左右分辨障碍，患者不能命名或指出自身或对方身体的左右侧；右侧脑损伤患者往往出现空间关系障碍，患者在观察两者之间或自己与两个或两个以上物体之间的空间关系和距离上均表现出困难。(www.xing528.com)
（三）记忆
记忆和其他心理活动一样，有其生理基础。近年来，认知心理学和神经生理学进一步结合，促进了对记忆系统本质的探索。尤其是随着科学技术的发展，研究人员可以对大脑进行无损伤的结构和功能成像（如脑电图、正电子断层扫描等），并将这些方法广泛应用于对人类认知活动的研究，在记忆研究领域，取得了一系列令人鼓舞的成就。具体来说，这些研究成果主要表现在以下两方面。
一是进一步明确了与记忆有关的脑区位置。如前额叶皮质是工作记忆的一个重要脑区。前额皮质损伤的病人工作记忆表现出明显障碍，只有利用近期的资料才能在执行某一任务时作出正确的决定。如果前额叶内神经通路的功能出现障碍，脑会把外部世界感觉为一系列不连续的事件；患者的行为只受即刻刺激所左右，脑内当时的信息和以往存储的信息对行为失去了指导作用。而边缘系统与间脑则与陈述性记忆有关。近年来，海马区在记忆中的作用进一步得到确认。许多实验表明，大范围的双侧海马区损失会出现对近期事实记忆的能力丧失，但远期记忆力不受影响；而以近期记忆力下降，最终导致自理能力丧失为特征的老年痴呆症患者，最典型的病理变化就是海马结构萎缩。这说明，海马区在记忆中的作用是巩固新学得的联系，然后将这种联系的产物——对事物、事件和规则的记忆，收集、贮存在大脑皮质的另一些区域。
二是探索了神经递质、核酸和蛋白质与学习记忆之间的密切联系。中枢胆碱能突触的功能与短期（或近期）记忆有关。当给动物注射M-胆碱受体的拮抗剂时能够抑制记忆的获得，注射小剂量的东莨菪碱（东莨菪碱能够封闭乙酰胆碱受体，因而是一种抗胆碱药物）也可以降低正常人的近期记忆力，且大剂量甚至可以引起意识消失。所以在有些临床实践中，东莨菪碱常被用来帮助产妇分娩，但使用这种药物后产妇往往不能回忆分娩时的情况。γ-氨基丁酸（GABA）是中枢神经系统内重要的抑制性递质，它对学习记忆也有重要的调节作用。γ-氨基丁酸局部注射于相关的大脑皮层运动区或感觉区可暂时地抑制条件反射的出现。在训练后注射GABA的拮抗剂对记忆保持有增强作用，而注射GABA的激动剂则使记忆保持遭到损坏。对训练后的小鼠进行测定，发现其脑内核酸含量、前庭核蛋白合成量、海马和视皮质合成蛋白量均显著增加。这说明，核酸和蛋白质是学习和记忆的必要物质基础。
（四）思维
思维的神经学基础非常复杂。即便是一个极其简单的前角运动细胞也约有10 000多个突触，一个大脑皮层神经细胞的突触可以多达300 000个。所以即使是很大范围脑的切除或脑皮层破坏也不会使思维活动完全丧失，但大脑某一局部的病变可影响思维的某一方面。如左侧半球颞上回后部是司管词句记忆的，这一部分的损伤会导致言语听觉记忆障碍。这种病人记不住用口语表达的问题，因而连很简单的口算题都很难解决。如果算题以书面方式呈现，情况稍微好些；但是由于在解决问题时仍然需要中间的言语环节，所以，病人要完成解题的整个推理过程非常困难。又如，左侧顶一枕区系统的损伤会引起同时性综合能力的严重破坏。病人虽能记住算题，并主动尝试解题的方法，但由于不能理解逻辑-语法结构（如不能理解“甲的苹果是乙的两倍”或“甲的苹果比乙多两个”等基本的逻辑条件），因而仍不能解答算题。
要完成复杂的思维活动，离不开多个脑区的协同作用。如罗劲的研究发现顿悟过程激活了包括额叶、颞叶、扣带前回以及海马区在内的广泛脑区。具体表现为海马区与新异而有效的联系的形成有关，问题表征方式的有效转换依赖于一个“非语言的”视觉空间信息加工网络，而思维定势的打破与转移则依赖于扣带前回与左腹侧额叶。
言语思维活动是人与动物的主要差异，所以对思维的脑机制问题，难以利用动物模型进行实验研究。思维的脑机制的研究在过去进展得非常缓慢，它与生理心理学的其他研究领域如学习、记忆相比还显得十分幼稚，有待进一步发展。
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