컴퓨터 단층(CAT) 기법
CT스캔법은 두개골을 180도 회전하며 X-ray 광선을 방출하는 기계를 통하여, 뇌의 부분들에 대하여 수많은 축의 단층 회전 촬영하고, 이를 복잡한 수리적 분석에 의해 재구성하여 최종 영상을 얻는다. 이를 통해 뇌 혈류나, 뇌 신진대사 활동의 양을 알 수 있고, 그에 의해 알츠하이머 증세, 조현병, 난독증 등의 이상 증상에서의 대뇌 변화를 파악할 수 있으며, 정상인의 인지 구조와 과정에 대한 추론을 도출할 수 있다.
자기공명영상(MRI)기법
핵 자기공명(NMR:Nuclear Magnetic Resonance)기법은 X광선을 사용하지 않고도 뇌의 전자기장서 수소원자 핵을 중심으로 수소원자의 밀도와 주변 섬유들과 상호작용을 탐색하여 인지과정의 추이를 연구한다. 이 기법은 뇌의 생물적 구조의 작은 변화에도 민감한 것으로 밝혀졌다.
양전자 방출 단층 영상(PET) 기법
이 기법은 뇌의 구조적 측면의 변화보다는 기능적 측면의 특성을 측정한다. 이 기법은 혈관 속에 방사선에 반응하는 물질을 주입하여, 뇌의 각 부분에서의 이 화학물질의 흡수 정도, 활용 정도를 측정하고, 그 결과로 뇌의 각 부분에서의 신진대사 양에 대한 지도(metabolic maps) 영상을 획득하여, 심적 활동에 대한 진단을 한다. 이 기법을 사용하여, 주의, 감각자극에의 반응, 의사결정, 기억 인출 등과 관련된 인지과정 특성을 파악할 수 있다.
얼마 전까지도 CAT, MRI, PET 등의 기법이 해상도가 낮고, 1초에 촬영하는 영상 프레임 수가 적어서 여러 가지 문제점이 있었으나, 최근에 개발된 초고속CT는 50msec마다완벽한 영상을 제시하며, 최근의 역동적 공간 재구성(DSR Dynamic Spatial Reconstruction)’ 기법은 3차원적 영상도 제시해준다. 또한 MRI 기법을 개선한 fMRI 또는echo-planar MRI(EPI) 기법은 두뇌 기능에 대한 아주 빠른 속도의 고해상도 이미지를 제시해준다. 개선된 기법은 활동 중인 뇌의 부분에서의 산소 소모량을 측정하여 뇌 활동 지도(activity maps)도 제공한다.
기능성자기공명영상(fMRI) 기법
fMRI는 MRI를 이용하여 뇌의 기능적 활성화를 측정하는 기능적 뇌영상방법이다. fMRI는 일반 MRI와는 달리 산소의 농도 차이(BOLD: blood oxygen level dependent) 신호를 반복 측정하여 뇌의 활성화 정도를 영상화 한다. 뇌의 신경 세포가 활성화되면 그 부위로의 혈류 공급이 증가되어 혈류 속에 산소와 결합한 헤모글로빈의 비율이 높아진다. 즉, 산소와 결합한 헤모글로빈과 산소가 없는 헤모글로빈의 비율에서 차이가 나는데, 농도 차이가 주변 자기장에 영향을 끼쳐 MRI 신호에 변화를 일으킨다. 이 신호를 3차원 영상으로 재구성하여 원하는 뇌 부위의 활성화 양상을 측정할 수 있다.
fMRI는 다른 기능적 영상인 PET과는 달리 특별한 물질을 주입하는 것이 아니어서 비 침습 적이고 공간해상도도 뛰어나다. 그러나 앞에서 언급한 것처럼 움직임 때문에 영상의 질이 떨어질 수 있으며, 금속성 물질을 사용한 사람에게는 시행할 수 없다. 또한 신경 활동의 직접적인 측정치가 아니라 신경활동으로 인한 이차적인 변화인 혈류를 측정한다는 간접적 측정치라는 제한점이 있다. 그러나 이런 제한점에 불구하고 다른 어떠한 영상 기술보다 공간해상도면에서 가장 질 높은 영상을 제공하고 비 침습적이어서 뇌와 인지기능의 관계를 연구할 때 가장 많이 사용되고 있는 방법이다.
기능성자기공명영상을 이용하는 연구에서는 주로 관심이 있는 인지적 요소를 포함하고 있는 실험 과제와 이와 거의 유사한 비교 과제(통제 조건)를 교대로 반복해서 수행하는 동안 신호를 측정하여, 두 과제 주기의 차이를 비교함으로써 특정 인지적 처리과정에 관여하는 뇌 영역을 관찰할 수 있다.
뇌파기법
한편 이전부터 많이 활용되어온 다른 연구 기법의 하나가 뇌파 또는 뇌전위 측정 기법이다. 뇌파 측정 기법에는 뇌에서 자발적으로 일어나는 뇌전위의 변화를 측정하는 방법과 특정 사건에 따른 변화를 측정하는 방법 둘이 있다. 전자의 방법은 전통적으로 사용해오던 방법인 일반 뇌파(腦電圖: EEG(electro-encephalogram)) 측정기법으로서 이는 수면과 의식의 수준 및 유형, 정서적 변화 등의 측정에 사용되고 있다. 이것이 발전된 BEAM(Brain Electrical Activity Mapping) 기법은 뇌파의 보다 상세한 양적 분석을 가능하게 해준다.
뇌파 측정의 다른 한 부류는 사건 관련 전위 측정 기법으로서, 동일한 자극을 반복 제시하고 이들의 평균 전위를 획득하여 측정치를 얻는 기법이다. 이 ERPs(averaged Evoked Response Potentials; Event Related Potentials)기법은 시간 경과 상의 두뇌활동의 특성을 반영하여 인지과정에 대한 정보를 제공해준다.
대체로 초기의 ERP들은 자극의 특성을, 반응지연시간이 긴 후기의 ERP들은 피험자의 심리적 특성을 반영한다고 본다. 자극 제시 후의 정보처리 과정상에서 개인의 주의, 기대 등의 인지적 정보처리의 미세한 차이가 이러한 ERP들을 사용하여 측정된다.
뇌파기법의 최근 방법의 하나로 자리잡은 기능성근적외선기능영상(fNIR: functional near infrared spectroscopy) 방법은 근적외선영상방법을 뇌기능 연구에 적용한 방법이다. 이 방법은 근적외선을 이용하여, fMRI처럼 혈류를 측정하는데 산소와 결합한 헤모글로빈과 산소와 결합하지 않은 헤모글로빈을 농도를 측정하여 산소소모량과 혈류증가량을 측정한다.
이 기법은 근적외선을 감지하는 센서를 머리에 착용(머리띠 형 또는 부착 형)하여 센서에서 나오는 신호를 분석한다. fMRI처럼 특정한 장비 속에 들어가지 않아도 되고 움직임에 제약도 없어 피험자들의 입장에서 불편함이 없이 뇌 기능을 측정할 수 있다는 것이 이 방법의 최대의 장점이다. 또한 시간해상도도 좋으며 공간해상도도 EEG 보다는 좋다. 센서가 부착된 곳에서만 측정치를 얻을 수 있어 정밀하지 못하다는 단점이 있지만 특정한 뇌 부위의 기능을 확인하거나 관심있는 영역에 대한 검증으로 사용되는 데는 좋을 것이다. 편리한 측정방식으로 인해 새로운 방법으로 사용될 잠재성이 크다.
컴퓨터 모의실험(simulation)과 내성 보고 분석법(protocol analysis)
이론 검증을 위해 컴퓨터 모의실험 방법을 사용한다. 이에 대한 보조 방법으로 구성주의 심리학에 의해서 사용되었으나 행동주의 심리학자들에 의하여 배척되었던 내성법이내성보고(protocol) 분석법으로 재형성되어 도입되었다. 내성보고법은 어떤 과제를 수행하는 피험자 또는 참여자의 과제 수행 과정에 대한 내성 보고를 분석하는 방법이다. 이방법에서는 첫째로 과제를 수행하는 사람의 정보처리과정에 대한 언어 보고를 받는 방법을 정형화하여 체계화하고, 둘째로 피험자의 언어 보고를 연구자가 생성한 이론적 범주하 틀에 의해 객관화시켜(흔히 컴퓨터 프로그램으로 자동적, 객관적으로 범주화 하여) 자료로 사용한다.
기타 방법
이외에 형식적 기술(記述) 방법 등도 사용한다. 마음의 구조와 과정의 내용(특히 지식표상구조)과 작용을 기술하고 설명함에 있어서 막연한 추상적 용어를 사용하는 것이 아니라 엄격한 형식 논리적 기술 틀에 의한다. 명제 논리를 비롯한 수리적 모형, 도식적 이론 표기법, 형식 문법(언어적 문법이 아니라 심적 과정의 진행의 절차규칙구조를 의미함) 등과 같은 형식을 사용한다.
또한 메타 분석법(meta-analysis)이나 민생방법, 그리고 문학비평 및 텍스트 분석에 기초한 내용 분석법 또는 담화 분석법, 그리고 일반적 자연 관찰법 등도 사용되고 있다. 인지적 메타분석법은 인지에 대한 이론적 개념들이나 일련의 모형들의 이론적 구조를 종합적, 집합적으로 분석하는 ‘이론의 이론(上位 이론)’적 분석법이다.
내용 분석법 또는 담화분석법은 각종 담화(텍스트)의 내용의 세분화된 특징들을 체계적이고 객관적으로 분석, 구분하여 그 텍스트에서 드러나는 사고 양식, 기타 일반적 인지 내용을 분석하는 방법이다. 내용분석법의 일종인 민생 방법은 사람들의 사회적 행위나 텍스트를 분석하여, 사람들이 사회적 상호작용에서 어떻게 하나의 공동체적 세계의 감각, 인지를 창출해 내는가를 사회적 범주와 규칙의 생성, 사회적 사건에 대한 타협적 해석의 양식 등을 중심으로 연구하는 인류학적, 사회학적 방법이다.
자연 관찰법은 언어학, 인류학, 심리학 등에서 인간의 인지 현상을 실험실이 아닌 자연상황에서 실험적 통제가 없이 관찰하여 분석하는 방법이다.
인지과학에서의 이러한 다양한 방법론적 특징들은 인지과학에서 무엇을 어떻게 연구할 것인가를 결정한다.