עניין מרכזי בחקר המדעים הקוגניטיביים הוא שלא ניתן ללמוד באופן מלא על הקוגניציה על ידי חקירה של רמה אחת בלבד. דוגמה פשוטה לכך ניתן למצוא בתהליך של שינון מספר טלפון, וההיזכרות בו לאחר מכן. כדי להבין את התהליך הזה, אפשרות אחת תהיה לחקור את התהליך בהתבוננות בלבד: הנבדק בניסוי יתבקש לשנן מספר טלפון, ולאחר זמן מה להיזכר בו, כאשר מידת הדיוק בביצועים נבדקת. אפשרות שנייה תהיה למדוד את ירי הנוירונים בעת ניסיון הנבדק להיזכר במספר הטלפון. הבעיה היא שאף לא אחת מן השיטות הללו כשלעצמה תוכל להסביר את התהליך של זכירה והיזכרות במספר טלפון. אפילו אם הטכנולוגיה למיפוי של נוירונים בודדים בזמן אמת הייתה קיימת, והיינו יודעים היכן בדיוק הנוירון ירה, עדיין היה זה בלתי אפשרי להבין מכך כיצד ירי מסוים של נוירונים מיתרגם להתנהגות מסוימת. לכן, מה שצריך כאן הוא היכולת לשלב בין שתי הרמות המתייחסות אל אותה ההתנהגות/תהליך. יכולת זו מסופקת על ידי חקר הרמה הפונקציונלית של התהליך. חקר אודות תופעה מסוימת ברמות שונות של ניתוח מביא לידי הבנה טובה יותר של התהליך המתרחש במוח שמביא לידי אותה התנהגות נצפית. מאר נתן לכך תיאור מפורסם, של שלוש רמות הניתוח:
1. הרמה החישובית - בה מפורטים כל מטרות החישוב (אפיון היכולת).
2. הרמה האלגוריתמית - בה מובאים הייצוגים של הקלט והפלט, והאלגוריתם שמביא מן הקלט אל הפלט (האופן בה היכולת מושגת).
3. רמת המימוש בחומרה - האופן בו האלגוריתם ממומש.
רב תחומיות.
המדעים הקוגניטיביים משלבים בתוכם ענפים מדעיים רבים, התורמים לפיתוח ולהבנה, כדוגמת: פסיכולוגיה, מדעי המוח, בלשנות, פילוסופיה, מדעי המחשב, אנתרופולוגיה, סוציולוגיה וביולוגיה. יש אף כאלו המטילים ספק בקיומו של מדע 'קוגניטיבי' אחיד, ומעדיפים להתייחס לתחום ברבים: מדעי הקוגניציה.
רבים מהמדענים הקוגניטיביים דוגלים בגישה הפונקציונליסטית. גישה זו גורסת כי מצבים נפשיים מאופיינים רק באופן בהם הם מאורגנים פונקציונלית, כלומר: מה שמשנה הוא המבנה הפונקציונלי, מערך הקשרים הסיבתיים, בין יחידות העיבוד השונות. המצבים הנפשיים אינם מוגדרים על ידי המצב הפיזיקאלי שמממש אותם (לא על ידי נוירון בודד, אלא על ידי הקשרים ביניהם). במילים אחרות: כל מכונה המממשת את הפונקציה המתאימה נחשבת כחווה את אותו ה'מצב הנפשי', על אף שהמימושים יכולים להיות שונים עד מאוד. לפי גרסאות מסוימות של הפונקציונליזם, אפילו למערכות לא אנושיות, כמו מינים אחרים של בעלי חיים או מחשבים מתקדמים, בעקרון, יש מצבים נפשיים.
מהי קוגניציה.
המונח 'קוגניציה' "משמש לתיאור כל סוג של פעולה מנטלית או מבנה שניתן ללמידה במונחים מדויקים" (לייקוף ומארק ג'ונסון, 1999). המשגה זו רחבה מאוד, ואין לבלבלה עם האופן בו קבוצות מסוימות כגון הפילוסופים האנליטיים משתמשים במונח 'קוגניציה' (אצלם המונח מתייחס רק לחוקים פורמליים ותנאי אמת מסוימים).
הפירוש הראשון לערך 'קוגניציה' במילון האנגלי של אוקספורד מתייג באופן גס את המונח בתור משהו שקשור "לפעולה או לתהליך של ידיעה". הפירוש הראשון, משנת 1586 הצביע על כך שהשימוש הראשון במילה זו היה בהקשר של דיונים אודות תאוריות אפלטוניות על ידע. על כל פנים, הרוב המוחלט מסכים כי המדעים הקוגניטיביים אינם עוסקים בתחום כה מוצק וברור כמו הידע לפי אפלטון.
טווח הקוגניציה.
המדעים הקוגניטיביים הם שדה מחקרי גדול, המכסה נושאים רבים הקשורים לקוגניציה. ברם, לא כל נושא שקשור באופן כלשהו לפעולת הנפש ולאינטליגנציה נמצא תחת זכוכית המגדלת המחקרית. גורמים חברתיים ותרבותיים, רגש, מודעות, אינטליגנציה בבע"ח, כמו גם גישות השוואתיות ואבולוציוניות בפסיכולוגיה במרבית המקרים לא מקבלים את הבמה שלהם בשיח המחקרי בקוגניציה (לרוב הדבר נובע מוויכוחים פילוסופיים בנושא). נושא נוסף שמדעי הקוגניציה נוטים להימנע מלעסוק בו הוא קיומה של ה, ורק אולי מזכירים אותו כעניין פילוסופי פתוח. למרות כל זאת, ישנם חברים בקהילת המדעים הקוגניטיביים שטוענים כי כל אלו הם נושאים חיוניים בשיח הקוגניטיבי, ומצביעים על החשיבות של חקירתם.
להלן מספר נושאים מרכזיים במדעי הקוגניציה. זוהי אינה רשימה מקיפה, אלא רשימה שנועדה להביא את מגוון ההתנהגויות והתופעות הקוגניטיביות הנחקרות.
בינה מלאכותית.
בינה מלאכותית (Atrificial Intelligence, AI) מעגנת בתוכה את חקר התופעות הקוגניטיביות במכונות. אחת המטרות המרכזיות ב-AI היא לממש יכולות קוגניטיביות אנושיות במכונות. משתמשים גם במחשבים כדי לחקור תופעות קוגניטיביות. מודלים חישוביים נעזרים בסימולציות על מנת לחקור את המבנה של האינטליגנציה האנושית.
ישנו וויכוח בנוגע לשאלה האם הקוגניציה מאורגנת כמערך עצום של יחידות קטנות (נוירונים), או שהיא מורכבת ממבנים ברמה גבוהה יותר, כגון סמלים, סכמות, תוכניות וחוקים. הגישה הראשונה משתמשת בקונקשיוניזם כדי לחקור את הקוגניציה, בעוד שהגישה השנייה משתמשת יותר בחישובים סימבוליים.
קשב.
קשב הוא בחירה של מידע חשוב מתוך כלל הגירויים הסביבתיים שחושינו קולטים. בכל רגע נתון המוח האנושי מופצץ במיליוני גירויים מן הסביבה, ועל כן כדי להתנהל - חייבת להיות דרך להחליט את מה מבין שלל המידע הזה יש לעבד. לפעמים מדמים את הקשב לזרקור, במובן שניתן להפנות את הקשב (או: להאיר בזרקור) רק לכמות מוגבלת של מידע (או: אזור מוגבל). ניסויים שממצאיהם תומכים במטאפורת הזרקור הזו כוללים את ניסוי ההאזנה הדיכוטית (1957, Cherry) בו הנבדק שמע דברים שונים בכל אוזן, ומחקרים של עיוורון קשבי (Inattentional blindness, Mack&amp;Rock, 1998). במשימת ההאזנה הדיכוטומית מושמעים לנבדק בכל אוזן שני דברים שונים, ונאמר לו להקשיב רק לערוץ מידע אחד (אוזן ימין או לחלופין אוזן שמאל). בסוף הניסוי, הנבדק נשאל אודות הערוץ שלא היה קשוב. התוצאות הראו כי הנבדקים לא מסוגלים לדווח על מה שנאמר באוזן שלא הפנו אליה את הקשב.
ידע ועיבוד של שפה.
היכולת ללמוד ולהבין שפה היא תהליך מורכב ביותר. השפה נרכשת במהלך השנים הראשונות לחיים, וכל בני האדם בתנאי חיים נורמליים מסוגלים לרכוש שפה באופן מקצועי. המטרה העיקרית בתאוריה הבלשנית היא לגלות את אותם היסודות המופשטים שיש לשפה כדי שתוכל להילמד באופן טבעי שכזה. כמה מן השאלות במחקר אודות האופן בה המוח מעבד את השפה כוללות: (1) עד לאיזו רמה ידע לשוני הוא מולד/נרכש? (2) מדוע למבוגרים קשה יותר ללמוד שפה שנייה מאשר ילדים הלומדים את שפתם הראשונה? ו-(3) כיצד אנשים מצליחים להבין משפטים חדשים, שלא שמעו מעולם קודם לכן?
המחקר על עיבוד השפה משתרע על פני תחומים שונים: החל מניתוח תבניות קוליות של דיבור, ועד לחקר משמעות המילים, ומשפטים שלמים. הבלשנות לרוב מחלקת את עיבוד השפה למחלקות: אורתוגרפיה, פונולוגיה, פונטיקה, מורפולוגיה, תחביר, סמנטיקה ופרגמטיקה. ניתן ללמוד רבות על היבטים שונים בשפה מהמחלקות הללו, ומן הקשרים שביניהן.
חקר השפה במדעי הקוגניציה קרוב מאוד לזה שבענף הבלשנות. בעבר, בלשנות נלמדה כחלק מחקר האנושות, יחד עם היסטוריה, אומנות וספרות. במהלך חמישים השנים האחרונות, יותר ויותר החלו לחקור את הידע ואת השימוש בשפה כתופעה קוגניטיבית, כאשר הבעיה המרכזית הייתה כיצד ידע של שפה יכול להירכש, וממה הוא בעצם מורכב. בלשנים גילו שעל אף שאנשים משתמשים בחוקים מורכבים ביותר על מנת להפיק שפה תקינה, הם אינם מודעים לחוקים הללו. לכן על הבלשנים לפנות לשיטות לא ישירות על מנת לגלות את אותם החוקים החלים על השפה, אם אותם חוקים אכן קיימים. על כל פנים, אם הדיבור אכן מבוקר על ידי חוקים, נראה כי הם אינם מגיעים כלל למודעות שלנו.
למידה והתפתחות מנטלית.
למידה והתפתחות הם תהליכים בהם אנו רוכשים ידע ומידע עם הזמן. תינוקות נולדים עם מעט ידע או ללא ידע בכלל (תלוי כיצד מגדירים 'ידע'), ועם זאת מהר מאוד הם רוכשים את היכולת להשתמש בידע, ללכת, ולזהות אנשים ואובייקטים. המטרה במחקרים על ידע והתפתחות היא להסביר את המנגנונים שמאחורי התהליכים הללו.
שאלה גדולה במדעי הקוגניציה היא האם יכולות מסוימות הן מולדות או נרכשות. וויכוח זה נקרא לרוב בשם מולדות מול למידה (Nature versus nurture). הגישה הנייטיביסטית טוענת כי תכונות מסוימות הן מולדות באורגניזם, והן נקבעות על ידי המרכיבים הגנטיים שלו. הגישה האמפיריציסטית לעומת זאת, טוענת כי אותן תכונות מסוימות נקבעות ונלמדות מהסביבה.
על אף שברור כי הן גורמים גנטיים והן סביבתיים נחוצים לילד כדי להתפתח באופן נורמלי, ישנו עדיין וויכוח בנוגע לדרך בה מידע גנטי משפיע על ההתפתחות הקוגניטיבית. בתחום רכישת השפה, למשל, חלקים (כמו סטיבן פינקר) טוענים כי מידע מסוים, שכולל חוקים דקדוקיים אוניברסליים, חייבים להיות מעוגנים בגנים, בעוד שאחרים (כמו ג'פרי אלמן ועמיתיו ב"Rethinking Innateness") גורסים כי הטענות של פינקר אינן מציאותיות מבחינה ביולוגית. הם טוענים כי גנים קובעים את הארכיטקטורה של מערכת למידה, אך "עובדות" מסוימות על האופן בו הדקדוק עובד יכולות להילמד רק כתוצאה מניסיון.
זיכרון.
הזיכרון מאפשר לנו לאחסן מידע לשם שליפה עתידית. לרוב מתייחסים לזיכרון כבעל יכולות אחסון לטווח קצר ולטווח ארוך. זיכרון לטווח ארוך מאפשר לנו לשמור מידע לתקופות ארוכות (ימים, שבועות, שנים). טרם ידוע לנו על מגבלות הקיבולת של הזיכרון לטווח הארוך. הזיכרון לטווח הקצר, מאפשר לנו לשמור על המידע לזמן קצר (סדר גודל של שניות או דקות).