Et molekyle mærket med en positronemitterende isotop injiceres i blodbanen og akkumuleres i væv i henhold til dets biologiske egenskaber. Når den udsendte positron annihileres med en elektron, produceres to gammastråler; detektorer, der omgiver hovedet, registrerer de sammenfaldende stråler og rekonstruerer et tredimensionelt kort over sporstoffets fordeling. Det er positronemissionstomografi, eller PET.

Afhængigt af sporstoffet kan PET måle glukosemetabolisme, blodgennemstrømning, dopaminreceptorbelægning, amyloidaflejring eller mange andre molekylære processer. Det giver derfor funktionel og neurokemisk information, som strukturel billeddannelse ikke kan. Den rumlige opløsning er typisk et par millimeter; den tidsmæssige opløsning er begrænset af sporstoffets kinetik.

PET har været centralt for studiet af neurodegenerative sygdomme, afhængighed og mekanismerne bag psykoaktive stoffer. Kombinerede PET/MRI-scannere muliggør nu samtidig indsamling af molekylære og anatomiske data. Behovet for en cyklotron eller nærliggende isotopforsyning og brugen af ​​ioniserende stråling er praktiske begrænsninger.

En velvalgt sporstof kan synliggøre en specifik receptorpopulation eller et patologisk protein i den levende hjerne.