Lorsqu'une région du cerveau devient plus active, le débit sanguin local et l'oxygénation augmentent en quelques secondes. L'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) détecte ces modifications hémodynamiques et permet ainsi de cartographier de manière non invasive la localisation de l'activité neuronale.

Le signal le plus fréquemment utilisé est le contraste BOLD (Blood-Oxygen-Level-Dependent). Les participants réalisent des tâches à l'intérieur du scanner, tandis que des images sont acquises toutes les une à trois secondes. La comparaison statistique des conditions de tâche et de contrôle révèle les régions dont l'activité est corrélée à l'opération mentale étudiée. Cette méthode a révolutionné les neurosciences cognitives en permettant l'étude répétée des mêmes individus et en couvrant l'ensemble du cerveau.

Les limitations de l'IRMf incluent une résolution temporelle relativement faible comparée à l'EEG et une relation indirecte avec l'activité neuronale réelle. Une conception et une analyse expérimentales rigoureuses sont nécessaires pour éviter les faux positifs. Malgré ces contraintes, l'IRMf demeure l'outil de référence pour localiser l'activité cérébrale humaine chez les sujets sains et les patients.

Une seule séance de numérisation peut fournir à la fois des images structurelles et des ensembles de données fonctionnelles riches.