神经生理学方法
心理学与神经生理学一直血脉相连。认知心理学上的发现同样需要在神经生理学中找到解释，这样就产生了认知神经科学。这是一门研究认知与神经活动之间关系的心理学分支。自20世纪70年代以来，各种脑成像技术和脑电技术迅速发展成熟，不但为患者带来了福音，也成为认知心理学研究的重要手段。
CT技术
脑成像技术可以帮助研究者了解大脑的神经解剖特征，甚至能够显示认知活动过程中大脑活动的特点。在认知心理学研究中，经常采用X线计算机体层扫描成像技术（Xray computer tomography，简称CT）。这项技术早在1972年就公之于世。CT不同于一般的X线成像，是计算机和X线相结合的一项新技术。其基本原理是：不同的身体组织具有不同的组织密度，例如，骨骼的密度高于血液，血液的密度又高于脑组织，脑组织密度又高于脑脊液。不同的密度可以用CT区别开来。CT具有高密度分辨率，不仅能显示出脑室系统，还能分辨出脑实质的灰质与白质，如再引入造影剂以增强对比度，其分辨率将更为提高，能极其精细地分辨出各种软组织的不同密度，从而形成对比。这样，如果发现大脑中出现了较多密度相当于血液的区域，就应当考虑脑出血的可能性。
CT图像是层面图像，常用的是横断面。为了显示整个器官，总是通过CT设备上图像的重建程序建立多个连续的层面图像。
MRI和f MRI技术
认知心理学运用得更加广泛的一项脑成像技术是磁共振成像（magnetic resonance imaging，简称MRI）。磁共振是一种核物理现象，基本原理是这样的：含奇数质子的原子核（人体内广泛存在的氢，就是这样的原子核），其质子有自旋运动，带正电，是一个小的磁体。小磁体自旋轴的排列杂乱无章，但是如果在均匀的强磁场中，它们的自旋轴将按磁场磁力线的方向整齐排列。当用特定频率的射频脉冲对氢原子核进行激发时，这些氢原子核吸收一定能量而共振，即发生了磁共振现象。发射射频脉冲停止后，被激发的氢原子核将吸收的能量逐步释放出来，其相位和能级都恢复到激发前的状态。这一恢复过程称为弛豫过程（relaxation process），恢复过程所需的时间则称为弛豫时间（relaxation time）。有两种弛豫时间：一种是自旋-晶格弛豫时间（spin-lattice relaxation time），又称纵向弛豫时间（longitudinal relaxation time），称为T1；另一种是自旋-自旋弛豫时间（spin-spin relaxation time），又称横向弛豫时间（transverse relaxation time），称为T2。
人体不同组织的弛豫时间是相对固定的，而且相互之间有一定的差异，T1和T2都是如此。这种组织间弛豫时间上的差异，就是MRI的成像基础。这与CT利用组织间密度不同进行成像有异曲同工之处。MRI的成像方法也与CT相似，可以产生非常清晰的图像，甚至可以利用3D技术，产生立体图像。
近年来，MRI出现了一种新的形式——f MRI，称为功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging）。这种技术利用血液的磁性特征进行成像。血液刚刚离开心脏时，其磁性是最强的，随着它在血管中流动，磁性逐渐减弱。大脑活动区域中血流充氧量会发生一定的变化，这种变化会体现在磁性的变化上，可以借助f MRI技术发现。这样，研究人员就可以在认知活动进行的同时，观察大脑不同区域的活动情况。
在f MRI研究中，所用的方法为“图像相减法”，与减法反应时方法十分相似。先是仔细地设计两种认知任务，使得这两种任务包含的认知操作仅有一两个特有的认知操作环节的差别。通过测量这两种任务状态下的血流量或放射量，并将它们相减，就可能发现与上述特有的认知操作有关的脑的部位。为了获得更可靠的数据，一般要利用多个被试或同一被试多次实验中反应的平均值来分析结果。
PET技术与f MRI一样，正电子发射断层扫描成像（positron emission computed tomography，简称PET）也是一种功能性脑成像技术。其基本原理是，将人体代谢所必需的葡萄糖、蛋白质、核酸、脂肪酸等物质标记放射性核素，并将其注射入人体后进行扫描成像。人体不同组织的代谢状态不同，所以这些被核素标记了的物质在人体各种组织中的分布也不同，采用PET技术就能将这些特征通过图像反映出来。在认知研究中，可以通过断层扫描技术测量脑的各个部位的放射量来推测那里的血流量，从而推测不同脑区的活动情况。PET是目前唯一可以在活体上显示生物分子代谢、受体及神经介质活动的影像技术。(https://www.daowen.com)
脑磁图技术脑磁图（magneto-encephalography，简称MEG）是一种测量大脑电活动产生的磁场变化的技术。利用MEG可测量到脑部仅持续1毫秒的活动。不过，由于大脑产生的磁场强度远远小于地球磁场，故测量设备更加复杂、昂贵。而且，少数被试在实验后报告头痛或肌肉疼痛。
ERP技术
在脑电技术方面，目前应用相当广泛的电记录技术就是事件相关电位（event-related potential，简称ERP）技术。活的人脑总会不断释放成分复杂而不规则的脑电，研究者可以在头皮上安置一定数量的电极，记录来自大脑的电信号，进而测定和记录与某一具体事件相关的大脑区域的反应。自发脑电一般在75微伏以内，而由认知活动引起的脑电更弱，一般只有2～10微伏，通常被淹没在自发电位中，所以ERP需要从脑电中提取。提取ERP的基本原理是，将由相同刺激引起的多段脑电进行多次叠加，由于ERP信号潜伏期恒定、波形恒定，其波幅会不断增加；而自发脑电或噪声是随机变化的，相互叠加时就可以正负抵消；这样，当叠加到一定次数时，ERP信号就显现出来。这样得到的ERP波幅还需除以叠加次数，最终得到平均ERP波形图。
功能性近红外光谱技术功能性近红外光谱技术（functional near-infrared spectroscopy，简称f NIRS）近年来发展迅速，是一种非侵入式脑功能成像技术。f NIRS的原理与f MRI相当接近，都是依据脑活动导致的局部血液动力学变化，但f NIRS利用的是脑组织中的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白对近红外光吸收率的差异特性。研究者可以在被试执行指定任务时，对其大脑皮层的血液动力学变化进行实时检测，找到血液动力学变化与任务执行相关较高的脑区，从而推断大脑的活动。
脑成像技术的局限性
以上介绍的脑成像技术和ERP技术确实为我们了解认知活动的脑机制提供了很多帮助，但它们也不是万能的。其实，认知神经科学本身就面临着各种基本假设上的争议。具体来说，有三个基本假设是可疑的（参见Eysenck，2012）。
第一，完成某种认知功能时，相应脑区的活动水平高于基线水平。而这个基线水平往往通过测定休息状态时的活动水平而得。事实上，在被试完成认知任务时，研究者发现很多情况下相应脑区的活动水平反而降低了。而且即使活动水平提高了，也超不过基线水平的5%。
第二，特定的认知功能与特定的脑区相联系。但是，任何认知活动都不是单独存在的，总会伴随着一定的情绪、期望等，特定脑区的活动也许正是这些认知之外的因素引起的。
第三，将特定的认知功能与特定脑区相联系，来源于认知活动的功能定位假设（不同的脑区都特异性地负责完成各自的认知功能）。但是，许多认知活动往往伴随着多个脑区（甚至整个大脑）的活动，而且脑区之间也存在相互协调和整合。