当人们突然明白一件事的时候，大脑到底发生了什么变化？
正如题主所说，在神经环路和神经元的层面上都有变化。当然，各种各样的顿悟涉及的脑功能区以及神经通路不一样，具体的生理变化也千差万别。 不过现在比较公认的一些细胞、分子学层面上的变化就是：1.就单个神经元来说，对于同样的输入信号的敏感度提高了；输出的动作电位强了；2.对于神经网络来说，信号强度增加了，网络的覆盖面更广了。 所以那种通俗的“想通了”的感觉真还是有科学基础的，因为从神经网络的层面上来说，真就是象电信号触发了一片片新的神经网络。结果是产生了更强的电信号，刺激了更多的神经元，最终达到认知或者是自我意识的脑区，而产生“茅塞顿开”的感觉。 举一个比较简单的例子来说，比如一道简单但是有点唬人的数学题：x^3+3x^2+3x=26, x=? 如果从来没接触过，或者忘了很久了，那么刚看到的时候神经网络很可能是这样的：一部分神经元开始反应，但是信号比较弱，涉及的神经数目比较少（以淡绿色表示）。这时候虽然信号输出层有神经元活动，但是因为强度低，数目少，没有达到阈值，所以还是会表现为“无解”的状态。 想了一会之后，忽然之间认识到解题诀窍的时候呢，神经网络很可能是这样的： 神经元产生的动作电位更强，有更多的神经元参与进来。最后的结果就是输出神经元的信号增强超过阈值，从而让大脑“感知”到了思考结果。如下图的深绿色显示。 这其中涉及的细胞学和分子学机理，主要包括那么几种（比较“干”，可跳过）： 1.  长期增强效应 (long-term potentiation).
是指由于持久的刺激作用而造成的神经突触的活动增强效应，从而使神经元之间的信号传导持续增强。 2.  神经易化效应 (neural facility).
是指如果一个神经元连续接受几次信号刺激的话，所产生的动作电位会逐渐增强。 3.  交叉至敏反应 （cross-sensitization). 是指对一种信号的敏感度会扩展到类似的信号，从而导致神经网络对多种信号的敏感度同时提高。等等，等等。 注意这些神经网络方面的变化都跟“持续刺激”有关。这其实也是“顿悟”现象的一个不太被注意的重要成因。如果仔细想想，绝大多数的“突然想明白”的现象都是发生在对一个问题的持续思考之后，也就是说这个过程中相关的神经元在不断地接受刺激，产生的动作电位不断增强，从而导致有更多的神经元参加进来。如此不断循环最后的结果是而对某种信号，有时候是看似不相关的信号变得更加敏感。当某个局部神经网络的输出动作电位达到某个阈值后，就会触发新的神经网络，最后得出答案。 所以在某种程度上， “顿悟”是神经网络厚积薄发的结果。对于神经网络就像对于肌肉一样，需要不断地训练才行。 （对不起，又一个偷懒的借口没了）