当大脑某个区域活动增强时，局部血流量和氧合作用会在几秒钟内上升。功能性磁共振成像可以检测到这些血流动力学变化，从而以非侵入性的方式绘制出神经活动的位置图。

最常用的信号是血氧水平依赖（BOLD）对比。受试者在扫描仪内执行任务，同时每隔一到三秒采集一次图像。通过对任务状态和对照状态进行统计比较，可以揭示哪些脑区的活动与感兴趣的心理活动相关。该方法通过允许对同一受试者进行重复研究并覆盖整个大脑，彻底改变了认知神经科学。

与脑电图（EEG）相比，功能磁共振成像（fMRI）的时间分辨率相对较低，且与实际神经元放电活动的关系间接，这些都是其局限性。因此，需要精心设计和分析实验数据以避免假阳性结果。尽管存在这些限制，fMRI 仍然是定位健康人群和临床人群大脑功能的主要工具。

单次扫描即可获得结构图像和丰富的功能数据集。