Certaines observations cliniques avaient suggéré que la langue maternelle et la langue apprise plus tard n’ont pas les mêmes substrats cérébraux, c’est à dire ne sont pas traitées dans les mêmes régions du cerveau et de ce fait le cerveau bilingue diffère du cerveau monolingue. Les études récentes en imagerie fonctionnelle, qui permet de voir les régions actives du cerveau lorsque le sujet effectue une tâche, n'ont pas confirmé cette observation. Cependant, lorsque le sujet effectue des tâches langagières dans sa deuxième langue, on observe que plus le niveau de maîtrise de la deuxième langue est faible, plus le recrutement de régions cérébrales additionnelles est important. Ces régions additionnelles sont impliquées dans les processus attentionnels et cognitifs. Ainsi l’acquisition de langues supplémentaires peut être considérée comme un processus dynamique qui requiert dans certaines circonstances le recours à des ressources neurales additionnelles. Selon des données relativement récentes d’imageries, ce processus peut s’accompagner de quelques modifications structurelles comme par exemple l’augmentation de la densité neuronale dans certaines régions critiques.