Neurobiologiczne mechanizmy odpowiedzialne za powstawanie procesów zautomatyzowanych nie zostały dotychczas do końca poznane. Ciekawą propozycją opisującą neurobiologiczne podstawy automatyzacji wydają się rozważania Hikosaki i współpracowników (1999), którzy uważają, że analizując proces nabywania wprawy (wiedzy proceduralnej) w zadaniach uczenia się sekwencji można wyróżnić dwa odrębne stadia, w których zaangażowane są różne obszary mózgu. Wczesny etap procesu nabywania wprawy jest, ich zdaniem, związany z wiedzą deklaratywną i jest na bieżąco kontrolowany. Na tym etapie zaangażowana jest przede wszystkim kora przedczołowa (kora przedruchowa i grzbietowo boczna kora przedczołowa) a także przednia część prążkowia. Obszary te są związane przede wszystkim z motoryką, ale również (grzbietowo-boczna kora przedczołowa) z funkcjonowaniem pamięci roboczej. Można więc zakładać, że ten etap przetwarzania jest związany z procesami, które określa się jako kontrolowane. Drugi, późniejszy etap nabywania wprawy wyróżniony przez Hikosakę i współpracowników (1999) dotyczy proceduralizacji wiedzy deklaratywnej. Etap ten związany jest, ich zdaniem, z przetwarzaniem automatycznym i polega na wykorzystywaniu wprawy nabytej w trakcie procesu automatyzacji. Z tym etapem nabywania wprawy Hikosaka i współpracownicy (1999) łączą zaangażowanie dodatkowej okolicy ruchowej, przedklinka, ciemieniowej kory wzrokowej, a także skorupy oraz jąder zębatych móżdżku. Analizując funkcję wyróżnionych struktur, należy zauważyć, że procesy zautomatyzowane aktywowane są prawdopodobnie już na poziomie recepcji bodźca (przedklinek, ciemieniowa kora wzrokowa). Za aktywację procesu przetwarzania informacji może tu odpowiadać automatyczna aktywacja uwagowa – ciemieniowa kora wzrokowa jest odpowiedzialna między innymi za funkcjonowanie systemu aktywacyjnego uwagi (Posner i McLeod, 1982).

Podsumowując poglądy Hikosaki i współpracowników (1999) należy zauważyć, że dostrzegają oni jakościową zmianę procesów odpowiedzialnych za wykonywanie zadań na wczesnym i późnym etapie automatyzacji. Należy jednak dodać, że struktury zaangażowane we wczesny etap automatyzacji pozostają również aktywne w późniejszym etapie tego procesu. Tak więc procesy automatyczne w tym ujęciu, dzięki zaangażowaniu dodatkowych struktur, charakteryzują się szybszym i efektywniejszym przebiegiem, ale nie mamy tu do czynienia z dwoma niezależnymi, odrębnymi na poziomie strukturalnym, procesami.

Jeszcze bardziej problematyczna wydaje się analiza wyników badań neurobiologicznych procesów opisywanych powyżej jako pierwotnie automatyczne. Większość badań neurobiologicznych przeprowadzono tu na grupach klinicznych. Wyniki dotyczące najbardziej interesującego z punktu widzenia tej pracy procesu uczenia mimowolnego nie są jednoznaczne. W badaniach tych zazwyczaj wskazuje się na niezależność procesu uczenia mimowolnego od uszkodzeń hipokampa obserwowanych u pacjentów amnestycznych (por. Knowlton i Squire, 1993; Curran, 1997). Ta obserwacja jest zresztą traktowana jako koronny dowód jakościowego rozróżnienia procesów ukrytych i jawnych. Z punktu widzenia niniejszej pracy istotniejsze wydaje się jednak wskazanie struktury, której uszkodzenie powodowałoby obniżenie poziomu wykonania zadań mierzących efekt uczenia mimowolnego. Część badań wskazuję, że taką strukturą mogą być jądra podstawy (Herzog, 2005), a szczególnie prążkowie, co jest zresztą zgodne z opisaną powyżej propozycją Hikosaki i współpracowników (1999). Wskazują na to wyniki badań, w których obserwuje się pogorszenie wykonywania zadań testujących uczenie mimowolne przez pacjentów cierpiących na chorobę Huntingtona i Parkinsona. W badaniach tych zazwyczaj porównuje się wykonanie zadania testującego uczenie mimowolne przez osoby amnestyczne, z poziomem wykonania tego samego zdania przez pacjentów z uszkodzeniami jąder podstawy. Okazuje się, że pacjenci amnestyczni zazwyczaj prawidłowo wykonują zadanie uczenia mimowolnego, natomiast ich pamięć deklaratywna dotycząca przebiegu badania jest zaburzona. Odwrotny wzór wyników obserwuje się u pacjentów cierpiących np. na chorobę Parkinsona – efekt uczenia mimowolnego nie występuje, ale pamięć deklaratywna dotycząca eksperymentu jest obecna (Knowlton, Mangels i Squire, 1996). Na podstawie tych wyników autorzy konkludują, że prążkowie (jądra ogoniaste i skorupa) pełni kluczową rolę w procesie uczenia związków między bodźcami w zadaniu uczenia się zależności probabilistycznych (wniosek zgodny z propozycją Hikosaki i współpracowników, 1999), ale również twierdzą, że jest ono istotne nie tylko w kontekście uczenia motorycznego, ale także w celu nabywania wiedzy dotyczącej nowych asocjacji o charakterze niemotorycznym, które nie są jawnie dostępne osobom badanym (Knowlton, Mangels i Squire, 1996). Taka dysocjacja pomiędzy wynikami pacjentów amnestycznych i cierpiących na chorobę Parkinsona została zaobserwowana w opisanym wcześniej zadaniu uczenia się zależności probabilistycznych (Knowlton, Mangels i Squire, 1996) oraz zadaniu na seryjny czas reakcji (Curran, 1997). Czy oznacza to, że procesy zautomatyzowane i pierwotnie automatyczne są wynikiem aktywacji tego samego obszaru mózgu? Przeczą temu wyniki uzyskane z wykorzystaniem zadania uczenia się sztucznych gramatyk. Proces uczenia mierzony przy użyciu tego zadania nie był zaburzony ani u pacjentów cierpiących na chorobę Huntingtona (Knowlton, Squire, Paulsen, Swerdlow, Swenson i Butters, 1996), ani chorobę Parkinsona (Witt, Nuhsman i Deuschl, 2002), a co ciekawe, zaobserwowano pogorszenie wykonania tego zadania u pacjentów amnestycznych (Knowlton, Ramus i Squire, 1992). Możliwe zatem, że prążkowie związane jest z proceduralizacją wykonania zadania uczenia mimowolnego, a nie z nabywaniem ukrytej wiedzy (procesem pierwotnie automatycznym).