Ein mit einem Positronen emittierenden Isotop markiertes Molekül wird in den Blutkreislauf injiziert und reichert sich entsprechend seinen biologischen Eigenschaften im Gewebe an. Bei der Annihilation des emittierten Positrons mit einem Elektron entstehen zwei Gammastrahlen. Detektoren am Kopf registrieren diese Strahlen und erstellen daraus eine dreidimensionale Karte der Tracerverteilung. Dies ist die Positronen-Emissions-Tomographie (PET).

Je nach verwendetem Tracer kann die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) den Glukosestoffwechsel, die Durchblutung, die Dopaminrezeptorbelegung, Amyloidablagerungen und viele weitere molekulare Prozesse messen. Sie liefert somit funktionelle und neurochemische Informationen, die mit strukturellen Bildgebungsverfahren nicht gewonnen werden können. Die räumliche Auflösung beträgt typischerweise wenige Millimeter; die zeitliche Auflösung ist durch die Kinetik des Tracers begrenzt.

Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) spielt eine zentrale Rolle in der Erforschung neurodegenerativer Erkrankungen, Suchterkrankungen und der Wirkmechanismen psychoaktiver Substanzen. Kombinierte PET/MRT-Scanner ermöglichen heute die simultane Erfassung molekularer und anatomischer Daten. Der Bedarf an einem Zyklotron oder einer nahegelegenen Isotopenquelle sowie die Verwendung ionisierender Strahlung stellen praktische Einschränkungen dar.

Ein gut gewählter Tracer kann eine spezifische Rezeptorpopulation oder ein pathologisches Protein im lebenden Gehirn sichtbar machen.