Egy pozitron-emittáló izotóppal jelölt molekulát a véráramba injektálnak, és biológiai tulajdonságainak megfelelően felhalmozódik a szövetekben. Amikor a kibocsátott pozitron annihilálódik egy elektronnal, két gamma-sugár keletkezik; a fejet körülvevő detektorok regisztrálják az egybeeső sugarakat, és rekonstruálják a nyomjelző eloszlásának háromdimenziós térképét. Ez a pozitronemissziós tomográfia, vagy PET.

A nyomjelzőtől függően a PET képes mérni a glükózanyagcserét, a véráramlást, a dopaminreceptorok foglaltságát, az amiloid lerakódását vagy számos más molekuláris folyamatot. Ezért olyan funkcionális és neurokémiai információkat nyújt, amelyeket a szerkezeti képalkotás nem képes. A térbeli felbontás jellemzően néhány milliméter; az időbeli felbontást a nyomjelző kinetikája korlátozza.

A PET központi szerepet játszott a neurodegeneratív betegségek, a függőség és a pszichoaktív szerek hatásmechanizmusainak vizsgálatában. A kombinált PET/MRI szkennerek ma már lehetővé teszik molekuláris és anatómiai adatok egyidejű gyűjtését. A ciklotron vagy a közeli izotópellátás szükségessége, valamint az ionizáló sugárzás használata gyakorlati korlátokat jelent.

Egy jól megválasztott nyomjelző láthatóvá tehet egy specifikus receptorpopulációt vagy kóros fehérjét az élő agyban.