Wenn eine Hirnregion aktiver wird, steigen die lokale Durchblutung und Sauerstoffversorgung innerhalb weniger Sekunden an. Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) erfasst diese hämodynamischen Veränderungen und kartiert so nichtinvasiv den Ort der neuronalen Aktivität.

Das am häufigsten verwendete Signal ist der BOLD-Kontrast (Blood-Oxygen-Level-Dependent). Die Probanden bearbeiten Aufgaben im MRT-Scanner, während alle ein bis drei Sekunden Bilder aufgenommen werden. Der statistische Vergleich von Aufgaben- und Kontrollbedingungen identifiziert Hirnregionen, deren Aktivität mit der jeweiligen mentalen Operation korreliert. Diese Methode hat die kognitive Neurowissenschaft revolutioniert, da sie wiederholte Untersuchungen derselben Personen und die Erfassung des gesamten Gehirns ermöglicht.

Zu den Einschränkungen zählen die im Vergleich zum EEG relativ geringe zeitliche Auflösung und der indirekte Zusammenhang mit der tatsächlichen neuronalen Aktivität. Sorgfältige Versuchsplanung und -analyse sind erforderlich, um falsch-positive Ergebnisse zu vermeiden. Trotz dieser Einschränkungen bleibt die fMRT das wichtigste Verfahren zur Lokalisierung der Hirnfunktion bei gesunden und klinischen Probanden.

Eine einzige Scan-Sitzung kann sowohl strukturelle Bilder als auch umfangreiche funktionelle Datensätze liefern.