神经科学家的研究对象是人类大脑内部的运作原理，他们需要监听微小的神经细胞（即神经元）之间的交流。神经元之间的“窃窃私语”由微小的电流组成，这些电信号最终汇成我们的想法和感受，并控制着我们的身体。
《X战警》中的X教授，他的超能力是无需通过身体接触便能阅读他人的思维、记忆，甚至可以操控他人的思维。遇到某些特定的触发信号时，神经元会发出短暂的电流，科学家们称这种电流为动作电位。例如，有些视觉相关的神经细胞只有在人眼看到某种颜色时才会被触发，从而发出动作电位，而其他视觉神经细胞则会在人眼检测到基本形状或物体的边缘时被激发。
许许多多的动作电位共同组成了大脑活动模式，也就是我们的思想、行动等。这些思维和运动模式组合起来，便形成了脑电波。观察大脑的电活动可以帮助科学家们更好地理解大脑的工作方式。科学家们使用了各种各样的工具来观测神经元的动作电位、脑电波及其活动模式。
研究大脑活动最简单的方法是使用带有平面金属传感器的头盔、帽子或者头带覆盖人脑。这些传感器可以接收大脑发出的电信号，得出描述这种电信号的图谱——脑电图。脑电图可以显示人是处于清醒还是睡着了。当人清醒状态时，人的脑电波是一些很尖锐的峰图，在入睡后，这些尖峰会逐渐变成波浪状的“山丘”。
脑电图可以显示脑电波活动，该脑电图表明，被试者已经入睡，并且很可能正在做梦。人在产生某些具体的想法时，脑电波也会呈现相应的整体模式。如果电脑程序可以识别这些模式，通过脑电耳机，可以通过“意念”对电脑程序进行一些基本的操控。这些想法包括推动、敲击或者滑动等，当佩戴者想象某一个动作时，脑电图耳机便会把这个想法当成一个命令来执行。
然而，脑电头盔、耳机只能提供大脑的整体脑电波模式，并不能提供更详细的信息。对于神经科学家来说，使用脑电图来检测大脑的活动就像试图从音乐厅外面听管弦乐队演奏一样。为了弄清每个乐器的节奏，你必须离每名演奏者足够近才可以。同样的道理，在大脑中，离单个神经元越近，检测到的电信号越好。
大脑中有数十亿个神经元，如果植入大量的传感器来记录所有神经元的电信号是十分危险的。不过，只记录大脑中一小部分的神经元电信号也能够提供有效的数据。就像将一个小麦克风放到音乐厅中记录少数几种乐器的演奏一样，获取的信息或许足以识别出正在演奏的乐曲。
通过植入大脑内部的电极，我们可以得到非常详细的脑电波视图，但是几乎没有人自愿让自己的大脑在剖开后植入传感器。不过，一些患有罕见脑部疾病的病人已经在他们的大脑表面和头骨之间植入了电子传感器网络。这些传感器通过ECoG（electrocorticography简称，脑皮层电图）技术来读取大脑的活动。每个ECoG传感器可以一次性“窃听”数十万个神经元的电信号。
科学家们还有另一种方式来检测大脑的活动。这种方式不需要手术，就可以提供比脑电图更详细的数据。与其他三种方法不同，该方法并不直接记录大脑的电信号，而是追踪大脑中的血流量。想象一下，假设你无法直接听一场音乐会，只能观看音乐会的无声视频。即使没有声音，演奏者的手臂和手指移动也会给你提供一些信息。与此类似，fMRI（功能性磁共振成像）可以反映出哪些脑细胞异常的活跃。
志愿者躺在一张可以在一台大型甜甜圈状机器内滑动的床上，该机器可以通过磁场来测量流经神经元周围血液中的“食物”。活跃的神经元需要血液提供更多的“食物”，因此，血液中含有化学“食物”最多的区域便是大脑活动最强的区域。每种技术都有其优点和缺点，科学家们会根据不同的目标进行选择。随着技术的不断进步，将来大脑活动检测装置会变得更加先进，足以将大脑活动的模式转变成文字或者图片等形式。