核磁共振根据脑组织内氢原子核的不同状态，通过磁共振技术揭示脑内不同质的结构。（具体请参见之前的青云奖文章：脑成像技术之核磁共振)
然而，普通的核磁共振扫描出来的只是一潭死水样的脑结构，并不能跟人脑瞬息万变的思维功能扯上一丝关系。而功能核磁共振成像弥补了这一缺憾。
功能核磁共振最根本的生理基础是局部脑区的活跃程度和血流量之间的耦合关系。这方面的研究可以追溯到19世纪，比核磁共振还要早。
脑血流量和脑功能早在19世纪，意大利生理学家Angelo Mosso做脑外科手术时发现，当病人进行数学计算时，大脑某些位置的脉搏会发生变化。Angelo Mosso敏锐地得出结论，大脑局部的功能活动会引起局部血流量的增加。
Angelo Mosso
但由于缺乏精确的测量工具，这一论题在接下来的近百年里一直没有什么像样的进展。
直到1978年，瑞士和丹麦的科学家在放射性同位素氙（xian）-133的帮助下，才第一次真正测量到了局部脑功能活动和局部脑血流量的关系。科学家将溶有氙-133的生理盐水注射进病人的动脉，然后在病人脑袋外面放置侦测器阵列，以检测对应位置脑区的氙-133含量。由于大脑深层产生的伽马射线会衰减，因此，当时这种方法主要检测大脑表层。
放射同位素检测探头阵列，一个小检测器探测1立方厘米的脑区
如果大脑表层某一区域血流量增加，那么对应位置的探测器就会扫描到更多的信号。据此，科学家绘制出了病人做某一认知任务时大脑表层各个位置血流量的变化。
当被试听到单词时，听觉皮层血流量增加
功能核磁共振的原理，就隐藏在大量新鲜血液涌入活跃脑区之后的故事里，我们一起来看看。
能量、氧气和血流量大脑是身体的耗能大户，它只占重2%，却吃掉了20%的能量。而吃掉这些能量的，绝大多数都是放电的神经元。大脑耗能跟神经元的放电频率成正比，放电频率越高，消耗能量越多。
神经元消耗掉的能量来自于ATP。ATP被消耗后变成ADP，ADP想要重新变成ATP，就需要葡萄糖和氧气的参与（这是一个很复杂的生物化学过程，这里不再多说）。
神经元兴奋后，脑组织中氧气被大量消耗，二氧化碳淤积成灾，脑组织迫切需要新鲜的动脉血补充氧气，捎走二氧化碳。神经元就会动用各种手段增加流向自己的血流量。
神经活动1-2秒后，血流量开始增加，5-6秒后达到峰值
其中一个快速的方式是通过神经血管耦合。位于神经元和毛细血管之间的胶质细胞起到了桥梁的作用。胶质细胞感知神经元放电，然后作用于包绕血管的细胞，使血管舒张，血流量增加。然后，大量含氧血红蛋白就来了。
神经元、胶质细胞和血管组成的神经血管单位可迅速收缩和扩张血管，调节供血量
说了这么多，氧气在血液中到底是以什么面貌存在的呢？
氧气和血红蛋白跟代谢废物二氧化碳不一样，氧气水溶性很差。这是血液运输氧气时面临的一大难题。
但是，进化早已为我们找好了答案——氧气载体血红蛋白（Hb，hemoglobin）。血红蛋白是位于血红细胞内的蛋白质分子，它在肺内绑定氧气，并将氧气运送到身体各个部位，然后氧气以水溶性状态扩散进身体组织。血红蛋白将血液的运氧能力整整提升了70倍！
位于红细胞内的血红蛋白可以携带氧气
氧气从血红蛋白扩散到身体组织中
血红蛋白是如何绑定氧气的呢？
血红蛋白有4个亚基，每个亚基都有一个叫做血红素的小分子，小分子内有一个二价铁，二价铁拥有六个配位键，其中五个都被占用着，剩下的那个是给氧气预留的。每个亚基都可以结合一个氧气，因此，一个血红蛋白可以结合4个氧气分子。
血红蛋白的四个亚基，每个亚基包含一个血红素分子（黄色）
当氧气充足时，氧气和二价铁配位结合，此时血红蛋白称为含氧血红蛋白，呈电中性。当氧气不足时，氧气从血红蛋白上解离下来。未和氧气结合的血红蛋白有另外一个名字，去氧血红蛋白（Deoxygenated hemoglobin）。由于没有氧气的结合，二价铁有未配对的电子暴露着，这让去氧血红蛋白像小磁铁一样。这是功能核磁共振成像的关键所在。
去氧血红蛋白（右）铁的一个配位键暴露，使它具有磁性
去氧血红蛋白和含氧血红蛋白当一个脑区开始活跃，氧气的快速被消耗掉，含氧血红蛋白降低，去氧血红蛋白升高。这时，大量的动脉血供应就像及时雨，带来了丰富的含氧血红蛋白。
正常人会理所当然地想，动脉血填补了含氧血红蛋白的消耗，消耗多少，补充多少，这样去氧和含氧血红蛋白就可以维持原有的平衡。
如果真是这样，那这篇文章到此就该全剧终了。因为脑区活跃前和活跃后去氧和含氧血红蛋白比例一致，检测不到变化，也就没法成像。
实际上，动脉血带来的含氧血红蛋白是消耗掉的2到3倍，不但可以供应脑组织的消耗，而且还大有富余，进而使去氧血红蛋白重新获得氧气变成含氧血红蛋白。另外，额外的供血量也会更加迅速地将去氧血红蛋白冲走。如此一来，活跃脑区的去氧血红蛋白就大大减少。
神经活动增强会引起血管扩张，血流量增加以及去氧血红蛋白减少
这为功能核磁共振提供了生理基础。
去氧血红蛋白和BOLD信号先来简单回顾下核磁共振的T2弛豫（请参见青云奖文章：脑成像技术之核磁共振)。
脑组织中的氢原子核和射频脉冲发生共振后，进动相位同步，横向磁场产生。射频脉冲消失后，氢原子核进动逐渐去同步化，横向磁场消失。
去同步化的主要原因是氢原子核局域微环境内的主磁场不同，这导致不同氢原子核进动频率产生差异，最终去同步化。
而影响主磁场的因素有两个，一个是氢原子核自旋本身的磁场，它会影响周围邻居的磁场，这种效应称为自旋-自旋相互作用。由原子核之间自旋-自旋相同作用引起的相位去同步化称为T2弛豫。
自旋-自旋相互作用是T2弛豫的一个主要原因
另一个原因是核磁共振的主磁场在脑组织内也不是完全均一的，磁性的去氧血红蛋白就是导致主磁场不均一的原因之一。去氧血红蛋白含量越高的地方，主磁场就越不均一，氢原子核就越容易去同步化。由自旋-自旋相互作用和主磁场不均一共同引起的去同步化称为T2*弛豫。
去氧血红蛋白使主磁场不均一，是质子进动去同步化的另一个原因
去氧血红蛋白含量越高，T2*弛豫过程就越快，核磁共振监测到的信号便越弱。
当一个脑区活跃时，大量含氧动脉血使去氧血红蛋白减少，主磁场便更加均一，T2*弛豫过程变慢，信号变强。
脑区活跃时，去氧血红蛋白减少，主磁场更加均一（白色平行线）
基于T2*弛豫的核磁共振信号的强弱依赖于血液中含氧水平，也称为BOLD信号（blood oxygen-level-depedent signal）。BOLD 信号完全内源，无需任何药物或放射性同位素，是功能核磁共振成像揭示脑功能所依赖的信号。日本科学家小川诚二（Seiji Ogawa）在1990年首次发现。Seiji Ogawa也因此被称为现代功能核磁共振成像之父。
Seiji Ogawa
总结功能核磁共振成像（fMRI）依据血液中含氧水平的变化，实现了非侵入式的脑功能成像，在脑功能定位领域扮演着至关重要的角色。
但核磁共振也有其自身的缺点：空间和时间分辨率都比较低。
空间方面，fMRI图像的一个体素（voxel，3D空间中的一个像素）是毫米级别的，其中包含上百万的的神经元。因此，fMRI的空间分辨率不高。
fMRI空间分辨率低
时间方面，由于功能核磁共振并不是直接检测神经元的放电，而是检测神经活动引起的血流量、去氧血红蛋白的变化，而血流量变化是一个缓慢的、秒级别的变化过程。这就导致fMRI的时间分辨率相对于毫秒级的神经放电来说很粗糙，这也限制了fMRI只能用于较慢的神经反应，如情绪、回忆等。
但即便如此，因其非侵入式的全脑成像这一无可替代优点，fMRI仍然是临床和科研领域中最重要的手段之一。