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Es la rama de la psicología relacionada con las bases fisiológicas de los procesos psicológicos. Se solía llamar psicofisiología cognitiva hasta mediados de los años 1990 y actualmente se le denomina neurociencia cognitiva.
La psicofisiología se distingue de la psicología fisiológica en que la psicofisiología analiza el modo en que las actividades psicológicas producen respuestas fisiológicas, mientras que la psicología fisiológica analiza los mecanismos fisiológicos que conducen a actividad psicológica. Históricamente, la mayoría de los psicofisiólogos tienden a examinar las respuestas fisiológicas y los órganos inervados por el sistema nervioso autónomo. Más recientemente, los psicofisiólogos están igualmente, o potencialmente más, interesados en el sistema nervioso central, explorando los potenciales corticales cerebrales como los diferentes tipos de potenciales relacionados con eventos (ERPs), ondas cerebrales, neuroimagen funcional (fMRI, PET, MEG, etc.)
Los psicólogos están interesados en los motivos por los cuales tenemos miedo a una araña mientras que los fisiólogos pueden estar interesados en caracterizar las entradas/salidas de la amígdala, una pequeña estructura cerebral que está involucrada en la regulación y respuesta emocional. Un psicofisiólogo trataría de relacionar ambos. Podría, por ejemplo, tratar de explicar la aracnofobia en relación a los impulsos que entran y salen de la amígdala. Sin embargo, los psicofisiólogos casi siempre estudian las relaciones psicológicas/fisiológicas en sujetos humanos intactos. Mientras que los primeros psicofisiólogos prácticamente siempre examinaban el impacto de los estados psicológicos con las respuestas de los sistemas fisiológicos, desde los años 1970 también estudian el impacto del estado de los sistemas fisiológicos en el estado psicológico. Es la perspectiva del estudio de la relación entre la mente y el cuerpo lo que distingue fundamentalmente a los psicofisiólogos.