При утворенні умовного рефлексу паралельно розвиваються два якісно різних фізіологічних процеси, один з яких є універсальним для всіх рівнів ЦНС і полягає у пластичній перебудові поточної функції клітини, а другий відбиває специфічну організацію нейроіших популяцій. Отже, на клітинному рівні молекулярні механізми навчання є універсальними (неспецифічними), а специфічність поведіпкових реакцій виникає лише на рівні взаємодії нейронів.
Тимчасовий зв'язок
Внаслідок поєднання за часом індиферентних (умовних) і біологічно значущих (безумовних) подразників виникають нові просторові взаємозв'зки між різними структурами головного мозку, формується, за словами І. П. Павлова, тимчасовий зв'язок. Тимчасовий зв'язок — це результат функціонального поєднання центральних структур і механізмів, внаслідок якого відбувається тривала фіксація у пам'яті цієї нової функціональної організації мозку. Формування тимчасового зв'язку (утворення умовного рефлексу) починається завдяки підвищенню неспецифічної активації мозку при виникненні орієнтовної реакції на певне подразнення.
Стадії утворення умовних рефлексів. У початкових стадіях утворення умовних рефлексів відповідна реакція виникає не тільки на підкріплюваний умовний подразник, але й на інші подразники тієї чи тієї модальності. Це явище дістало назву узагальнення, або генералізації умовних рефлексів. У його основі лежить процес іррадіації збудження, в якому важливу роль відіграє РАС. Одразу за генералізацією умовного рефлексу, після поєднання умовного подразника з безумовним, настає стадія спеціалізації умовних рефлексів (умовна реакція приурочується до конкретного подразника і починає носити локальний характер).