마음챙김 수행을 포함 명상에 의한 신경학적 효과에 대한 연구는 주로 뇌파(EEG), 기능선자기공명영상법(fMRI), 양자방출 단층촬영(PET)와 같은 뇌 영상 기법을 이용하여 이루어진다. 뇌 영상기법을 이용하면 뇌의 기능과 구조적 변화를 알 수 있으며, 명상 등을 통해 뇌파가 어떻게 변화하는지 확인할 수 있다. 지금까지 알려진 뇌파는 5종류로 구분된다. 1) 베타파(초당 12~30Hz)는 빠른 빈도수를 갖는 뇌파로써 분석적인 사고와 관련된다. 대체로 눈을 뜨고 생각하며 활동하는 동안 나타나는 뇌파이다. 정상적 인지 기능이나 불안과 흥분 또는 긴장과 관련 있는 각성 상태를 지칭하는 뇌파이다. 2) 알파파(초당 8~12Hz)는 느리면서 규칙적인 주파수를 갖는데, 이완 상태나 눈을 감을 대 나타나는 뇌파이다. 깨어 있지만 편안하며 스트레스나 강박증이 없는 일상에서 고요하고 안정된 상태이다. 3) 세타파(초당 5~8Hz 정도)는 알파파보다 느린 주파수이다. 보통 꿈꾸는 상태에 나타나며 이완과 수면 사이의 상태이다. 세타파의 상태에서는 자신에 대한 자각과 통찰이 증가하여 새로운 창의적 생각이나 문제해결 능력과 재능을 발견하는 경험도 가능하다. 수행시 나타나기도 하는데, 인지활동을 감소시키고 심리적 안정감을 높여주며, 내적경험에 집중을 유지할 때 나타난다. 수행하는 동안 알파파와 세타파의 증가는 주로 좌측 전두엽에서 관찰되며, 이때 세타파 활성은 통찰력과 창의적 사고 및 유쾌하고 이완된 행복감의 강도와 관련이 있다. 4) 델타파(초당 0.1~4Hz)는 느리고 불규칙적이며 수면상태의 뇌파이다. 델타파는 보통 꿈 없는 깊은 잠 상태에서만 나타난다. 의식을 유지하고 있는 동안의 델타파의 비율 증가는 신체적으로 호르몬 분비가 증가되며, 경우에 따라 몸의 치유과정이 일어날 수 있다. 그리고 심리적으로는 기쁨, 몸이 사라지는 경험 등을 할 수 있다. 5) 감마파(초당 30~50Hz)는 빠른 뇌파이다. 추리, 판단 등의 고도의 깊은 집중이나 지식의 통합이 이루어질 때 나타나거나 자비심을 가질 때 나타난다. 오랜 기간 수행한 티베트 승려들을 연구한 결과 자비수행을 하는 동안 감마파가 많이 나타나는 것으로 알려져 있다. 따라서 타인에 대한 연민, 도우려는 마음과 도울 방법에 대한 고민을 할때의 인지활동시 나타난다. 감마파는 신경가소성과 새로운 신경회로 구축과도 관련이 있는 것으로 알려져 있다. 마음챙김 수행을 하면 뇌파가 변화하게 된다. 특히 전두엽의 전대상피질(ACC)과 후대상피질(PCC)에 직접적인 영향을 줘서 과도하게 활성화된 뇌파를 잠재운다. 이를 통해 만성적인 스트레스와 불안에 대응하는 강력한 효과를 보이고 있다. 마음챙김을 할 때 두뇌에서는 전두엽의 전대상피질에서 세타파가 방출된다. 세타파는 이완, 평온함을 느끼는 의식 부분과 연관이 있으며 자기성찰과 주의집중, 반성, 자기결정에 관한 영역이다. 이 상태는 어떤 것에도 주의가 산만해지지 않고 오직 현재에 머무르는 의식 상태를 말한다. 반대로 우리가 불안과 스트레스를 느낄 때 뇌에서 정확히 반대되는 뇌파가 방출된다. 뇌가 무언가에 방해받을 때면 전대상피질은 과도하게 활성화되고 이때 베타파를 포함한 높은 베타파가 방출돼 통제력이 떨어지고 불안감을 느끼게 된다. 더구나 특정 생각, 감정, 신체 감각에 고착되면 불안감은 더욱 증폭된다. 후대상피질 또한 마음챙김에 직접적인 변화가 일어나는 영역이다. 후대상피질은 주위 환경을 인지하거나, 과거 기억과 현재의 인식을 비교하는 역할을 하며 자기 자신과 관련된 마음 활동이 일어나는 영역이다. 자신의 미래나 주변 인간관계에 선입관이 먼저 작용하면 후대상피질이 과도하게 활성화돼 불안이 높아진다. 마음챙김은 후대상피질을 안정화시켜 보다 넓은 시각으로 사물을 관조적으로 바라보게 한다. 또한 주변의 사물을 지나치게 개인적으로 해석하거나 받아들이는 경향을 낮춘다. 마음챙김은 손쉽게 실행할 수 있지만 뇌에서 일어나는 불안 패턴을 강력하게 바로잡을 수 있어 현대인에게 적합한 수행이다. 이처럼 마음챙김은 일반적인 여타의 명상과 달리 뇌에 미치는 영향에서 차별된 특징을 보인다. 특히 마음챙김은 만성적인 스트레스와 불안에 대응하는 강력한 효과가 있다.