Une molécule marquée par un isotope émetteur de positons est injectée dans le système sanguin et s'accumule dans les tissus en fonction de ses propriétés biologiques. Lorsque le positon émis s'annihile avec un électron, deux rayons gamma sont produits ; des détecteurs placés autour de la tête enregistrent ces rayons coïncidents et reconstruisent une carte tridimensionnelle de la distribution du traceur. C'est la tomographie par émission de positons, ou TEP.

Selon le traceur utilisé, la TEP permet de mesurer le métabolisme du glucose, le débit sanguin, l'occupation des récepteurs de la dopamine, le dépôt amyloïde, ou de nombreux autres processus moléculaires. Elle fournit ainsi des informations fonctionnelles et neurochimiques que l'imagerie structurelle ne peut pas fournir. La résolution spatiale est généralement de quelques millimètres ; la résolution temporelle est limitée par la cinétique du traceur.

La tomographie par émission de positons (TEP) est essentielle à l'étude des maladies neurodégénératives, des addictions et des mécanismes d'action des substances psychoactives. Les appareils TEP/IRM combinés permettent désormais l'acquisition simultanée de données moléculaires et anatomiques. La nécessité de disposer d'un cyclotron ou d'une source d'isotopes à proximité, ainsi que l'utilisation de rayonnements ionisants, constituent des contraintes pratiques.

Un traceur bien choisi peut rendre visible une population de récepteurs spécifique ou une protéine pathologique dans le cerveau vivant.