Πολλές αλλαγές συμβαίνουν στον εγκέφαλο κατά τη διάρκεια του διαλογισμού. Οι επιστήμονες έχουν χρησιμοποιήσει μαγνητική τομογραφία ή μαγνητική τομογραφία για να προσδιορίσουν ακριβώς πώς ο διαλογισμός επηρεάζει τον εγκέφαλο. Τα χαρακτηριστικά των εγκεφαλικών κυμάτων μεταβάλλονται, τμήματα του φλοιού παχαίνουν σωματικά, η αμυγδαλή είναι λιγότερο ενεργή και ο ιππόκαμπος γίνεται πιο ενεργός. Με την τακτική πρακτική διαμεσολάβησης, ορισμένες από αυτές τις αλλαγές παραμένουν ακόμη και μετά την αποχώρηση της κατάστασης διαλογισμού.
Η ηλεκτρική δραστηριότητα αλλάζει ριζικά στον εγκέφαλο κατά τη διάρκεια του διαλογισμού. Τα κύματα βήτα, με περίπου 15 έως 30 κύκλους ανά δευτερόλεπτο, μειώνονται σημαντικά κατά τη διάρκεια του διαλογισμού. Ασχολούνται με τη λογική σκέψη, τον διάλογο και πολλές αν όχι τις περισσότερες από τις καθημερινές δραστηριότητες της ζωής. Τα κύματα Θήτα, με ταχύτητα μεταξύ 4 και 7 κύκλων ανά δευτερόλεπτο, σχετίζονται με την αφηρημάδα, την υψηλή δημιουργικότητα και τις καταστάσεις διαλογισμού. Αυξάνονται κατά τη διάρκεια του διαλογισμού.
Ποδηλατώντας με 7 έως 13 κύκλους ανά δευτερόλεπτο, τα εγκεφαλικά κύματα άλφα είναι παρόντα κατά τη διάρκεια χαλαρών καταστάσεων και σηματοδοτούν την απουσία στρες ή άγχους. Τα κύματα άλφα αυξάνονται στον εγκέφαλο κατά τη διάρκεια του διαλογισμού. Καθώς αυτά τα κύματα συμβάλλουν στην ικανότητα εκμάθησης νέων πληροφοριών, ο διαλογισμός για μια περίοδο εβδομάδων ή μηνών θα αυξήσει την ικανότητα του ασκούμενου να απορροφά νέες πληροφορίες.
Ένα άτομο που κάνει διαλογισμό βρίσκεται σε μια πολύ συγκεντρωμένη, εγρήγορση και βαθιά γαλήνια κατάσταση. Η αναπνοή και ο καρδιακός παλμός είναι αργοί και η αρτηριακή πίεση πέφτει. Η εστίαση του ασκούμενου στρέφεται προς τα μέσα και υπάρχουν πολύ συγκεκριμένες αλλαγές που έχουν ως αποτέλεσμα τον εγκέφαλο κατά τη διάρκεια του διαλογισμού. Ο φλοιός, που είναι το συλλογιστικό κέντρο του εγκεφάλου όπου ζουν η αυτοσυνείδηση, το συναίσθημα και η λογική, κλείνει σε μεγάλο βαθμό. Αντίθετα, τα μέρη του προμετωπιαίου φλοιού και της δεξιάς πρόσθιας νησίδας που εμπλέκονται στην επεξεργασία των αισθητηριακών πληροφοριών και στη σημείωση των λεπτομερειών παχαίνουν σωματικά λόγω της διεύρυνσης των αιμοφόρων αγγείων.
Το άγχος δεν είναι μόνο δυσάρεστο. αλλάζει σωματικά τον εγκέφαλο προκαλώντας μείωση του μεγέθους των νευρώνων του ιππόκαμπου. Ο ιππόκαμπος είναι εκείνο το τμήμα του εγκεφάλου που επιτρέπει τη μνήμη, συμβάλλει στην αίσθηση της ευεξίας και υποστηρίζει τη μάθηση. Μέσω του μακροχρόνιου διαλογισμού, η μείωση του στρες έχει ως αποτέλεσμα την αναδόμηση του ίδιου του ιππόκαμπου. Όχι μόνο ο ιππόκαμπος αποκτά εγκεφαλική ύλη, αλλά η αμυγδαλή, το τμήμα του εγκεφάλου που χειρίζεται το θυμό, τη θλίψη και το άγχος, μειώνεται κατά τη διάρκεια του διαλογισμού. Αυτό δίνει διπλό άγχος και δυσάρεστα συναισθήματα.
Ο διαλογισμός έχει κυριολεκτικά τη δύναμη να επανασυνδέσει τον εγκέφαλο. Τα άτομα που παλεύουν με την κατάθλιψη, έχουν προβλήματα θυμού ή υποφέρουν από κρίσεις άγχους μπορούν, μέσω εστιασμένης διαλογιστικής πρακτικής, να δημιουργήσουν νέες και πιο υγιείς συνήθειες σκέψης και συναισθήματος και στην πραγματικότητα να σχηματίσουν νέα μονοπάτια στον εγκέφαλο. Ένας υγιής εγκέφαλος συμβάλλει επίσης σε ένα υγιές σώμα. Οι ερευνητές έχουν σημειώσει ότι οι άνθρωποι που συμμετέχουν σε τακτικό διαλογισμό για μεγάλο χρονικό διάστημα είναι λιγότερο πιθανό να υποφέρουν από χρόνιες διαταραχές. Για όσους το κάνουν, η ενόχληση ελαχιστοποιείται μέσω του διαλογισμού.