ヘモグロビン(Hemoglobin)とは、赤血球に含まれるタンパク質である。酸素分子と結合する性質を持ち、肺から全身へ酸素を運搬する役割を持つ。肺から取り入れた酸素が血液内の赤血球の中に入り、赤血球の中にあるヘモグロビンと結びついてできたものを酸素化ヘモグロビンという。脳内で認知活動が生じると、神経活動の活性化により酸素の消費が増えるため、活動部位の血流に局所的かつ一時的な脱酸素化ヘモグロビンの増加が生じる。後に酸素不足を補うため酸素化ヘモグロビンの流入が増加する。酸素化／脱酸素化ヘモグロビンでは近赤外光の吸光度が異なるため、「fNIRS / 機能的近赤外線分光法」ではその仕組みを利用し、脳血流量より脳活動を測定している。また、fMRIではこれら酸素化／脱酸素化ヘモグロビンの核磁気共鳴の緩和時間が異なる（BOLD効果）ことを利用し、脳活動を測定している。