Molekula značená izotopem emitujícím pozitrony je vstříknuta do krevního oběhu a hromadí se v tkáních podle svých biologických vlastností. Když emitovaný pozitron anihiluje s elektronem, vznikají dva gama paprsky; detektory obklopující hlavu zaregistrují shodné paprsky a rekonstruují trojrozměrnou mapu rozložení stopovače. To se nazývá pozitronová emisní tomografie neboli PET.

V závislosti na použitém indikátoru může PET měřit metabolismus glukózy, průtok krve, obsazenost dopaminových receptorů, ukládání amyloidu nebo mnoho dalších molekulárních procesů. Poskytuje tak funkční a neurochemické informace, které strukturální zobrazování poskytnout nemůže. Prostorové rozlišení je obvykle několik milimetrů; časové rozlišení je omezeno kinetikou indikátoru.

PET hraje klíčovou roli ve studiu neurodegenerativních onemocnění, závislostí a mechanismů účinku psychoaktivních drog. Kombinované PET/MRI skenery nyní umožňují simultánní získávání molekulárních a anatomických dat. Potřeba cyklotronu nebo blízkého zdroje izotopů a použití ionizujícího záření představují praktická omezení.

Dobře zvolený stopovač může v živém mozku zviditelnit specifickou populaci receptorů nebo patologický protein.