研究人员现正在努力了解导致早产儿认知障碍的大脑生理变化。大脑由灰质构成，包含了密集的细胞体、白质以及连接不同脑区的长轴突细胞。在发育过程中，这些轴突被一层叫作“髓磷脂”的保护外衣包裹着，从胎儿在子宫时开始到出生后的第一个10年左右以非常精确的顺序发育。

在早产儿的大脑中，不成熟的脆弱血管很难给脑组织提供常规发育所需要的足够氧气。当一个血管破裂时，大脑关键区域的白质受损，从而导致脑瘫。但是目前尚不知晓，相关研究中所揭示的早产儿共生群出现的轻微脑损伤是由哪些因素导致的。

科学家怀疑，由于早产儿出生后的外部环境不是温暖、水润的子宫环境，他们的大脑接收到的是影响大脑神经元与相关神经网络产生联系的不同环境信号，为此其大脑被迫执行关键发育器官的作用。“未成熟的大脑承受了不该承受的完全不同的感觉输入，如视觉刺激和重力影响。”巴黎INSERM-CEA认知神经成像研究所研究儿童语言发育的Ghislaine Dehaene-Lambertz说，“这些感觉输入可能是突然的、猛烈的、难以预料的。”其中一些不自然的感官信号不可避免地来自于让早产儿生存下来的医疗过程。

早期大脑扫描研究也支持这一观点，即改变的感觉网络在认知障碍中起到关键作用。Hüppi的瑞士合作研究团队分析了52名已成长至6岁的早产儿，通过MRI扫描并揭示与各个脑区相互联系的神经元集群。在与足月生的婴儿进行对照后，发现早产儿的神经元群落组织效率更低，经常需要更加迂回的连接通道。这些变化与社会及认知技能的变化存在联系。