마음챙김 수행이 뇌에 미치는 영향은 대표적으로 신경가소성과 연관시킬 수 있다. 마음챙김 수행을 하게 되면 뇌 속 활동과 구조가 변화하게 되는데 이를 가소성이라고 한다. 뇌 구조에서 이루어지는 스스로의 변화 가능성과 유연성을 설명하기 위한 개념이 바로 ‘뇌 가소성’(brain plasticity) 혹은 ‘신경가소성’이다. 뇌가 마음을 일으키고 형성하지만, 마음이 변화하면 뇌 역시도 변화한다는 것을 함축하는 뇌의 가소성이야말로 불교의 수행을 통해 스트레스나 우울증이나 강박장애 같은 질환을 치유할 수 있는 근거가 된다. 수행은 마음을 변화시키고, 마음의 변화는 가소적인 뇌를 변화시켜 심신을 치유하고 삶을 바람직한 방향으로 변화시킨다. 마음의 변화가 이처럼 뇌파와 뇌구조와 신경전달 시스템의 변화를 가져온다는 것은 뇌가 그만큼 유연하고도 개방적인 체계라는 것에 대한 증거이다. 기존의 이론에서는 성인의 뇌는 절대로 변화하지 않는다고 보았으나, 뇌과학이 발전함에 따라 명상 수행을 통해 뇌의 생리학적, 해부학적 변화가 일어나는 것이 입증되었다. 근래 기능적 자기공명장치(fMRI)가 개발됨에 따라 명상이나 이완, 꿈 상태에서 일어나는 두뇌 활동을 확인할 수 있게 되었다. 특정 순간 뇌의 상태와 혈액이 어떻게 흘러가는지를 통해 뇌의 어느 부위가 어느 순간 작동되는지를 분명하게 알게 되었다. 마음챙김 수행 초기 뇌의 전반적 활동이 이완상태에 들면서 뇌는 전반적으로 평온해진다. 주의와 집중을 일으키는 뇌부위인 배외측 전두엽(dorsal lateral frontal lobe)과 공감 등 긍정적 감정을 조절하는 전대상회(anterior cingulate)의 기능이 활성화되고 혈압, 심장박동 등 자율신경 활동을 조절하는 뇌부위인 변연계와 뇌간부위의 혈액도 증가한다. 수행하는 동안 전반적인 뇌의 활동이 줄어들지만, 배외측 전두엽, 전대회 부분 및 신경계 활동을 조절하는 변연계의 활동성은 오히려 높아진다. 뇌의 전반적 활동은 안정된 이완 상태에 있지만, 주의집중과 자율신경계 조정 중추는 활성 흥분상태에 있게 된다. 수행 도중 일종의 통찰이 일어나면 뇌의 전반적 활동성은 낮아지지만 긍정적 감정, 공감 능력과 관련 있는 뇌부위, 주의나 각성 관련 부위, 이완과 같은 부교감 신경계의 작용을 일으키는 뇌부위의 활동성은 증가한다. 이를 통해서도 수행이 우리 뇌의 변화를 끌어낸다는 것을 보여준다. 또한 명상 수행은 뇌의 각성 상태를 알 수 있는 뇌파에 영향을 준다. 수행시 깊은 몰입 상태와 관련이 있는 뇌파는 세타파와 감마파로서, 세타파는 각성과 수면 사이의 의식 상태이다. 세타파가 나타날 때는 깊은 통찰을 경험하거나 창의적인 해결책이 나타나기도 한다. 세타파는 이완된 상태 및 각성과 관련이 있고, 의도성과도 연관성이 있으며, 수행시 깊은 몰입상태에서 나타난다. 마음챙김 수행을 하게 되면 뇌는 이완 및 뇌파의 변화를 통해 그 구조가 바뀐다. 대표적 변화가 전전두엽 활성화의 변화이다. 두려움이나 혐오감 같이 괴로운 감정이 일어날 때 활성화되는 우측 전전두엽 보다 행복감이나 긍정적 감정을 느낄 때 일어나는 좌측전전두엽에 활성화가 일어난다. 오랜 기간 마음챙김 수행을 하게 되면 뇌의 활동이 좌측전전두엽에서 주로 일어나기 때문에 뇌의 변화를 확인할 수 있다. 실제로 장기간의 명상 수행 결과 주의집중을 담당하는 전전두엽 피질과 감각정보를 담당하는 우측전방섬엽(right-anteriopr insula)의 뇌세포가 조밀하게 모인 회질의 두께가 두꺼워진다. 특히 나이가 있는 피험자들의 전전두엽피질의 두께가 증가하였는데, 여기서 노화로 인해 전두엽피질이 얇아지는 것을 상쇄시킬 수 있음을 알 수 있다. 또한 원하는 대상에 대한 선택적 주의 집중이 증가하게 되면서 주의력 분산이 확실하게 감소된다. 여기에는 마음챙김 수행이 전전두엽과 주의력과 관련된 뇌의 다른 영역 간의 연결을 강화하기 때문에 집중력이 향상된다고 볼 수 있다. 이처럼 마음챙김 수행이 뇌의 관련 영역을 부분적으로 또는 연계하여 강화시킨다는 것을 뇌과학 연구결과 밝혀지고 있다.