其原理是利用磁共振成像（MRI）来测量神经元活动所引发之血液动力的改变，使用最多的是基于血氧水平依赖（BOLD）的功能磁共振成像，它是利用脑活动区域局部血液中氧合血红蛋白与去氧血红蛋白比例的变化所引起的局部组织T₂（横向磁化强度的弛豫时间）的改变，从而在T₂加权像上可以反映出脑组织局部活动功能的一种磁共振成像技术，已成为研究脑功能的强有力的技术手段。相对于传统的正电子发射断层图等脑成像方法，血氧水平依赖-功能磁共振成像（BOLD-fMRI）利用人体自身内部血氧浓度变化作为天然造影剂成像，能提供足够高的空间和时间分辨率。

从19世纪90年代开始，人们就知道血流与血氧的改变（两者合称为血流动力学）与神经元的活化有着密不可分的关系。神经细胞活化时会消耗氧气，而氧气要借由神经细胞附近的微血管以红细胞中的血红素输运。因此，当脑神经活化时，其附近的血流会增加，以补充消耗掉的氧气。从神经活化到引发血流动力学的改变，通常会有1～5秒的延迟，然后在4～5秒达到的高峰，再回到基线（通常伴随着些微的下冲）。这不仅导致神经活化区域的脑血流会发生改变，而且引起局部血液中的去氧与带氧血红素的浓度和脑血容积都会随之改变。

1990年小川诚二^[注]等首先提出血氧水平依赖（BOLD）效应，他们发现氧合血红蛋白含量减少时，磁共振信号降低，并且还发现信号的降低不仅发生在血液里，而且还发生在血管外，于是认为这种效应是血液的磁学场性质变化引起的。此后很多研究者进行了大量的理论和实验的工作，总结出血氧水平依赖-功能磁共振成像的成像基础。神经元活动时，局部脑血流量和耗氧量均增加，但是两者增加量有差异，即脑血流量的增加多于耗氧量的增加。这种差异使活动区的静脉血氧浓度较周围组织明显升高，去氧血红蛋白相对减少。去氧血红蛋白是顺磁性物质，在血管和其周边产生局部梯度磁场，使质子快速去相位，因而具有缩短T₂的作用。脑区激活时，由于去氧血红蛋白减少，缩短T₂的作用也减弱，同静息状态相比，局部脑区的T₂相对延长，因而在T₂加权的功能磁共振成像图上表现为信号相对增强。

功能磁共振成像已经成为神经科学研究领域一个不可或缺的研究工具，但是它也存在一些缺陷，比如它的精确性还没有被完全阐明，尤其是它的空间特异性，因为大的静脉能产生血氧水平依赖响应，而这些静脉却远离神经活动的部位。研究表明，功能磁共振成像受大血管作用的控制，在血管图像中能够很容易地识别这些大血管。大血管的作用和流入效应有关，而这两种作用都不是我们想要的。因为大血管离神经元活动的部位有一定的距离（约1厘米）；另外，它会产生伪迹波动，妨碍与神经活动相关的信号变化的监测。在许多情况下，这些伪迹波动与神经元活动引起的强度变化相当或更大，神经元活动引起的强度变化也在百分之几的范围。由于无法监测小的变化，因此无法准确地确定与神经元活动相关的血液动力的真正空间范围和位置。除此之外，被试的运动和生理噪声也会造成功能磁共振成像的数据波动。

功能磁共振成像研究的进展主要为以下几方面：①向高场移动。血氧水平依赖响应与磁场强度是紧密相关的，并且这种相关性是很复杂的。随着磁场强度的增加，磁共振图像本身的信噪比会得到提高，而且功能磁共振成像的敏感性也随之增加。最重要的是，随着信噪比的提高，不仅能检测到更加强的信号的变化，而且功能磁共振成像的可靠性和重复性也增强。②功能磁共振成像信号的早期衰减。血流动力学反应可能在空间上比实际的神经元活动部位大，因此可能影响到功能磁共振成像的空间特异性。大多数的功能磁共振成像研究都是基于对延迟反应的测定，所以这些研究可能在空间特异性或空间分辨率上受到固有的限制。一个更加有效的选择可能是测定初始去氧血红蛋白浓度的增加，表现为功能磁共振成像信号的降低。③事件相关功能磁共振成像。传统的功能磁共振成像研究采用的是区组设计，该设计可以看作是一个稳态反应，这种研究得到的图像是对参与特定任务脑区的一个平均观察。事件相关的功能磁共振成像通过增加一个维度—时间，打开了探测神经元事件的通道。④功能磁共振成像与电生理的结合。功能磁共振成像具有高的空间分辨率的特点，但与电生理方法（EEG、MEG）比较，功能磁共振成像时间分辨率比较低。因此，如果将功能磁共振成像与电生理方法结合起来，可获得较高的空间分辨率和时间分辨率。