Когда в каком-либо участке мозга повышается активность, местный кровоток и оксигенация увеличиваются в течение нескольких секунд. Функциональная магнитно-резонансная томография позволяет обнаружить эти гемодинамические изменения и, таким образом, неинвазивно определить местоположение нейронной активности.

Наиболее распространенным сигналом является BOLD-контраст (зависимость от уровня кислорода в крови). Участники выполняют задания внутри сканера, а изображения регистрируются каждые одну-три секунды. Статистическое сравнение условий выполнения задания и контрольных условий выявляет области, активность которых коррелирует с интересующей их умственной операцией. Этот метод произвел революцию в когнитивной нейронауке, позволив проводить многократные исследования одних и тех же людей и охватив весь мозг.

К ограничениям относятся относительно низкое временное разрешение по сравнению с ЭЭГ и косвенная связь с фактической нейронной активностью. Для предотвращения ложноположительных результатов необходимы тщательная разработка эксперимента и анализ данных. Несмотря на эти ограничения, функциональная МРТ остается доминирующим инструментом для локализации функций головного мозга человека как у здоровых людей, так и у пациентов с клиническими заболеваниями.

За один сеанс сканирования можно получить как структурные изображения, так и обширные функциональные наборы данных.