Ένα μόριο σημασμένο με ένα ισότοπο εκπομπής ποζιτρονίων εγχέεται στην κυκλοφορία του αίματος και συσσωρεύεται στους ιστούς σύμφωνα με τις βιολογικές του ιδιότητες. Όταν το εκπεμπόμενο ποζιτρόνιο εξαϋλώνεται με ένα ηλεκτρόνιο, παράγονται δύο ακτίνες γάμμα. Οι ανιχνευτές που περιβάλλουν την κεφαλή καταγράφουν τις συμπίπτουσες ακτίνες και ανακατασκευάζουν έναν τρισδιάστατο χάρτη της κατανομής του ιχνηθέτη. Αυτή είναι η τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων ή PET.

Ανάλογα με τον ιχνηθέτη, η PET μπορεί να μετρήσει τον μεταβολισμό της γλυκόζης, τη ροή του αίματος, την κατάληψη των υποδοχέων ντοπαμίνης, την εναπόθεση αμυλοειδούς ή πολλές άλλες μοριακές διεργασίες. Επομένως, παρέχει λειτουργικές και νευροχημικές πληροφορίες που η δομική απεικόνιση δεν μπορεί. Η χωρική ανάλυση είναι συνήθως λίγα χιλιοστά. Η χρονική ανάλυση περιορίζεται από την κινητική του ιχνηθέτη.

Η PET έχει κεντρική θέση στη μελέτη των νευροεκφυλιστικών ασθενειών, του εθισμού και των μηχανισμών των ψυχοδραστικών φαρμάκων. Οι συνδυασμένοι σαρωτές PET/MRI επιτρέπουν πλέον την ταυτόχρονη λήψη μοριακών και ανατομικών δεδομένων. Η ανάγκη για παροχή κυκλοτρονίου ή κοντινού ισοτόπου και η χρήση ιονίζουσας ακτινοβολίας αποτελούν πρακτικούς περιορισμούς.

Ένας καλά επιλεγμένος ιχνηθέτης μπορεί να κάνει έναν συγκεκριμένο πληθυσμό υποδοχέων ή μια παθολογική πρωτεΐνη ορατό στον ζωντανό εγκέφαλο.