Meditacijos metu smegenyse įvyksta keletas pokyčių. Mokslininkai naudojo magnetinio rezonanso tomografiją arba MRT, kad tiksliai nustatytų, kaip meditacija veikia smegenis. Smegenų bangos charakteristikos pasikeičia, žievės dalys fiziškai sustorėja, migdolinis kūnas yra mažiau aktyvus, o hipokampas tampa aktyvesnis. Taikant reguliarią tarpininkavimo praktiką, kai kurie iš šių pokyčių išlieka net ir išėjus iš meditacinės būsenos.
Meditacijos metu smegenyse radikaliai pasikeičia elektrinis aktyvumas. Beta bangos, maždaug nuo 15 iki 30 ciklų per sekundę, meditacijos metu labai sumažėja. Jie yra susiję su loginiu mąstymu, dialogu ir daugeliu, jei ne didžiąja dalimi, kasdienės gyvenimo veiklos. Teta bangos, kurių dažnis yra nuo 4 iki 7 ciklų per sekundę, yra susijusios su svajonėmis, dideliu kūrybiškumu ir meditacinėmis būsenomis. Meditacijos metu jų daugėja.
Važiuojant dviračiu 7–13 ciklų per sekundę greičiu, alfa smegenų bangos yra atsipalaidavusios būsenos metu ir signalizuoja, kad nėra streso ar nerimo. Alfa bangos didėja smegenyse meditacijos metu. Kadangi šios bangos prisideda prie gebėjimo išmokti naują informaciją, meditacija savaites ar mėnesius padidins praktikuojančiojo gebėjimą įsisavinti naują informaciją.
Medituojantis žmogus yra labai susikaupęs, budrus ir giliai ramus. Kvėpavimas ir širdies plakimas sulėtėja, sumažėja kraujospūdis. Praktikuojančiojo dėmesys krypsta į vidų, o meditacijos metu smegenyse vyksta labai specifiniai pokyčiai. Žievė, kuri yra smegenų samprotavimų centras, kuriame gyvena savimonė, emocijos ir logika, iš esmės išsijungia. Vietoj to, prefrontalinės žievės ir dešiniosios priekinės izoliacijos dalys, kurios yra susijusios su jutiminės informacijos apdorojimu ir detalių stebėjimu, fiziškai sustorėja dėl kraujagyslių išsiplėtimo.
Stresas yra ne tik nemalonus; jis fiziškai keičia smegenis, sumažindamas hipokampo neuronų dydį. Hipokampas yra ta smegenų dalis, kuri leidžia atminti, prisideda prie gerovės jausmo ir padeda mokytis. Dėl ilgalaikės meditacijos sumažinus stresą hipokampas atsistato pats. Hipokampas ne tik įgyja smegenų medžiagos, bet ir migdolinė dalis, smegenų dalis, kuri valdo pyktį, liūdesį ir nerimą, meditacijos metu sumažėja. Tai suteikia stresui ir nemalonioms emocijoms dvigubą sukrėtimą.
Meditacija tiesiogine prasme turi galią perjungti smegenis. Žmonės, kurie kovoja su depresija, turi pykčio problemų arba kenčia nuo nerimo priepuolių, sutelkę meditacinę praktiką gali sukurti naujus ir sveikesnius mąstymo ir jausmų įpročius ir iš tikrųjų suformuoti naujus kelius smegenyse. Sveikos smegenys taip pat prisideda prie sveiko kūno. Mokslininkai pastebėjo, kad žmonės, kurie reguliariai medituoja ilgą laiką, rečiau kenčia nuo lėtinių sutrikimų. Tiems, kurie tai daro, diskomfortas sumažinamas medituojant.