Τα πρώτα χρόνια της παιδικής ηλικίας -πρώιμη και μέση παιδική ηλικία- είναι μια περίοδος ταχείας αλλαγής του εγκεφάλου, κατά τη διάρκεια της οποίας, διαμορφώνεται και βελτιώνεται ένα σύνθετο δίκτυο συνδέσεων στον εγκέφαλο, μέσω της συναπτογένεσης, του κλαδέματος και της μυελίνωσης.
Η διαδικασία σχηματισμού των εγκεφαλικών συνδέσεων καθοδηγείται βιολογικά -είναι έμφυτη, ενώ παράλληλα στην δημιουργία αυτή συμβάλλει και η αλληλεπίδραση των παιδιών, με το φυσικό και κοινωνικό τους περιβάλλον.
Στον εγκέφαλο παράγονται πολλές περισσότερες συνάψεις από αυτές που τελικά θα χρησιμοποιηθούν. Οι ερευνητές περιγράφουν τη διαδικασία αυτή ως συναπτική υπερπαραγωγή. Αυτή η ταχεία συναπτογένεση συνεχίζεται καθ’ όλη τη νηπιακή ηλικία.
Το κλάδεμα είναι, επίσης, μια βασική διαδικασία που διαμορφώνει τον εγκέφαλο των μικρών παιδιών. Η συναπτική υπερπαραγωγή προκαλεί εξαιρετικά γρήγορη ανάπτυξη των συνάψεων. Η διαδικασία κλαδέματος βελτιώνει αυτές τις συνδέσεις με βάση την εμπειρία. Οι συνδέσεις που χρησιμοποιούνται τακτικά γίνονται ισχυρότερες και πιο περίπλοκες. Οι μη χρησιμοποιούμενες συνδέσεις θεωρούνται μη ουσιαστικές και ο εγκέφαλος τελικά τις κλαδεύει, τις απορρίπτει για να αυξήσει την αποδοτικότητα. Για παράδειγμα, ο εγκέφαλος ενός βρέφους έχει συνδέσεις που του επιτρέπουν να ακούει ήχους από όλες τις γλώσσες του κόσμου. Κατά τα πρώτα χρόνια, ο εγκέφαλος ενισχύει τις συνδέσεις για τους ήχους στις γλώσσες που ακούει τακτικά. Με τον καιρό, ο εγκέφαλος εξαλείφει τις συνδέσεις για άλλους ήχους. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι περισσότεροι ενήλικες δυσκολεύονται να διακρίνουν ήχους που δεν είναι στη γλώσσα μας.
Η διαδικασία μυελίνωσης, -κατά την οποία μια λιπαρή ουσία, η μυελίνη, επικαλύπτει, περιβάλλει και μονώνει τους νευροάξονες- συνεχίζεται επίσης κατά τη διάρκεια της πρώιμης παιδικής ηλικίας και είναι η κύρια αιτία της αύξησης του μεγέθους του εγκεφάλου του παιδιού. Στα πρώτα τέσσερα χρόνια της ζωής, ο εγκέφαλος αυξάνεται στο 80% του βάρους των ενηλίκων των 2,6 - 3,3 λίβρες (1200-1500 γραμμάρια).