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뇌 구조들과 행동 사이의 관련성을 연구하는 두 번째 방법은 뉴런들의 전기적 활동 양상을 기록하는 것이다. 뇌파는 뇌의 전기적 활동을 기록하는 도구이다. ㅇ전현적으로 전극을 두피에 부착하며, 비록 시냅스에서의 전기적 활동 및 활동 전위의 근원은 두피로부터 멀리 떨어져 있지만 두피에서 측정한 전기적 신호를 EEG를 통해 몇천 배나 증폭할 수 있다. 이는 뇌의 전기적 활동을 시각적으로 기록할 것을 제공한다. 이 기법을 사용하여 연구자들은 서로 다른 의식 수준에서의 뇌 활성화 정도를 알 수 있다. 예를 들어 뇌는 깨어있을 때와 수면 상태에서 독특한 전기적 활동 양상을 보인다. 실제 수면의 여러 단계와 관련되어 있는 서로 다른 뇌파 양상들도 존재한다. EEG 기록은 연구자들로 하여금 수면과 깨어 있음의 특성들에 관한 이러한 기본적인 발견을 가능하게 한다. EEG는 개인이 다양한 심리적 기능, 예를들어 지각, 학습 및 기억 등의 기능을 수행하는 동안 일어나는 뇌의 전기적 활동을 조사한 데에도 사용된다.
전기적 활동을 측정하는 또 다른 방법이 뇌의 서로 다른 영역들의 기능, 심지어 세포 수준의 기능을 이행하는 데 공헌하였다. 노벨 수상자인 데이비드 허블과 토르스텐 비셀은 마취된 고양이의 후두엽에 전극을 삽입하는 방법을 통하여 단일 뉴런의 활동 전위의 양상을 관찰하였다. 허블과 비셀은 활동 전위의 신호를 스피커로 증폭시켰으므로 신호를 오실로스코프에서 볼 수 있었을 뿐만 아니라 째깍하는 소리로도 들을 수 있었다. 동물의 눈앞에 빛을 비추는 동안 허블과 비셀은 빛에 반응하는 후두엽 뉴런들의 활성화를 기록하였다. 그들은 많은 것을 발견하지 못하였는데, 이는 대부분의 뉴런이 이러한 일반적 자극 유형에 반응하지 않기 때문이다.
거의 실패한 실험처럼 여기고 있는 가운데, 그들은 고양이의 눈앞에 그림자를 담고 있는 유리 슬라이드를 제시하였으며 이 역시 앞서 실시한 실험 결과와 거의 같은 결과를 보일 것이라고 추측하였다. 그러나 그들은 고양이의 후두엽에 위차하는 뉴런들이 발화하면서 내는 활기찬 째깍 소리를 들었다. 그들은 일차 시각피질의 뉴런들이 시야의 일부에 빛과 어두움의 대비가 있을 때마다, 특히 시각 자극이 어두운 배경에 대해 두꺼운 빛 막대기일 경우 활성화되는 것을 발견하였다. 이는 슬라이드의 가장자리가 만들어 낸 그림자가 일종의 대비를 제공하였고 이것이 특정 뉴런들의 반응을 촉진한 것이었다. 추후 그들은 대비되는 가장자리가 특정 방향을 향하도록 제시될 때 각 뉴런이 활발하게 반응하는 것을 관찰하였다. 그 후 많은 연구가 일차 시각피질의 뉴런들이 시각 자극의 특정 양상, 예를 들어 대비, 형태와 색채를 표상한다는 것을 보여주었다.
시각피질의 뉴런들은 특징 탐지기라고 알려져 있는데, 이는 이들이 시각 이미지의 특정 측면에만 선택적으로 반응하기 때문이다. 예를 들어 일부 뉴런들은 시야 중앙에 수직선이 있을 경우에만 발화하고 다른 뉴런들은 45도 각도로 기울어져 있는 선이 지각되면 발화하고 도 다른 뉴런들은 넓은 폭의 선, 수평선 혹은 시야 가장자리에 있는 선에 대해 선택적으로 발화한다. 뉴런들이 특유의 기능을 가지고 있다는 발견은 시각피질이 어떻게 작용하는가에 관한 이해를 높이는 데 큰 공헌을 하였다. 특징 탐지기들은 자극의 기본적 차원들을 확인하고, 이러한 차원들이 시각 처리 과정의 후반 단계 동안 통합되어 하나의 자극으로 인식되고 지각된다.
다른 연구들은 다양한 특징들이 감각 뉴런들에 의해 탐지되는 것을 보고하였다. 예를 들어 측두엽에 위치하는 시각 처리 뉴런들은 얼굴을 탐지할 때에만 활성화된다. 베티가 뇌졸중으로 말미암아 손상을 입은 측두엽에 이러한 뉴런들이 위치한다. 이 영역에 위치하는 뉴런들은 얼굴을 처리하는 데 전문화되어 있다. 따라서 이 영역에 손상을 입으면 얼굴을 지각하는 능력을 상실하게 된다. 이러한 보충적인 관찰, 즉 뇌가 손상을 입을 경우 상실되거나 변화되는 기능 유형이 손상된 그 피질 영역에 존재하는 뉴런들에 의해 처리되는 정보 유형과 일치한다는 것을 보여주는 관찰은 뇌와 행동 사이의 관련성에 관한 가장 강력한 증거를 제공한다.
-활동하고 있는 뇌의 관찰
신경과학자들이 인간 뇌의 활성화를 들여다볼 수 있는 세 번째 주요 방법이 지난 수십년 내에 가능해졌다. EEG 기록은 한 개인의 의식 수준에 관한 전반적인 그림을 제공하고 단일세포기록은 특정 뉴런 집합들의 활성화를 밝혀 준다. 그러나 신경과학이 가지는 이상은 행동이 일어나고 있는 동안 뇌가 어떻게 작용하는가를 보는 것이었다.이 목표는 다양한 신경영상 기법의 발달에 힘입어 꾸준히 달성되고 있는데, 신경 영상 기법은 생존하는 건강한 뇌의 영상을 만들어 내는 진보된 기술을 사용한다.
최초로 개발된 신경 영상 기법 중의 하나가 컴퓨터 단층촬영법이다. CT 스캔의 경우 스캐너가 개인의 머리 위를 회전하여 서로 다른 각도에서 일련의 X-레이 사진을 촬영한다. 그런 다음 컴퓨터가 이 영상들을 통합하여 어느 각도에서라도 뇌를 볼 수 있는 사진을 만들어 낸다. CT 스캔은 서로 다른 밀도를 가지는 뇌 조직들을 보여 준다. 예를 들어 고밀도인 머리뼈는 CT 스캔에서 하얗게 보이고 피질은 회색으로 보이며 가장 밀도가 낮은 열과 뇌실은 어둡게 보인다. CT 스캔은 병변 혹은 종양의 위치를 찾는 데 사용되며, 병변이나 종양이 피질보다 밀도가 낮기 때문에 주로 더 어둡게 보인다.
자기공명영상법은 짧지만 강력한 자기 펄스를 머리에 적용한 후 어떻게 펄스가 뇌 전체에 흡수되는가를 기록한다. 아주 짧은 시간 동안 자기 펄스들은 죄 조직에서 미세하게 요동하는 분자들을 만들어 낸 후 이완하게 하는데, 이러한 과정 동안 적은 양의 에너지가 발생하게 된다. 서로 다르게 충전된 분자들이 자기 펄스에 대해 서로 다르게 반응하기 때문에 에너지 신호가 서로 다른 분자들로 구성되어 있는 뇌 구조들이 드러나게 한다.