Una molécula marcada con un isótopo emisor de positrones se inyecta en el torrente sanguíneo y se acumula en los tejidos según sus propiedades biológicas. Cuando el positrón emitido se aniquila con un electrón, se producen dos rayos gamma; detectores situados alrededor de la cabeza registran los rayos coincidentes y reconstruyen un mapa tridimensional de la distribución del trazador. Esto es la tomografía por emisión de positrones, o PET.

Según el trazador utilizado, la PET puede medir el metabolismo de la glucosa, el flujo sanguíneo, la ocupación de los receptores de dopamina, la deposición de amiloide y muchos otros procesos moleculares. Por lo tanto, proporciona información funcional y neuroquímica que las técnicas de imagen estructurales no pueden ofrecer. La resolución espacial suele ser de unos pocos milímetros; la resolución temporal está limitada por la cinética del trazador.

La tomografía por emisión de positrones (PET) ha sido fundamental para el estudio de las enfermedades neurodegenerativas, la adicción y los mecanismos de acción de las drogas psicoactivas. Los escáneres combinados de PET/resonancia magnética (RM) permiten ahora la adquisición simultánea de datos moleculares y anatómicos. La necesidad de un ciclotrón o de un suministro cercano de isótopos, así como el uso de radiación ionizante, constituyen limitaciones prácticas.

Un marcador bien elegido puede hacer visible una población específica de receptores o una proteína patológica en el cerebro vivo.