Een molecuul, gelabeld met een positron-emitterend isotoop, wordt in de bloedbaan geïnjecteerd en hoopt zich op in de weefsels op basis van zijn biologische eigenschappen. Wanneer het uitgezonden positron annihileert met een elektron, worden twee gammastralen geproduceerd; detectoren rond het hoofd registreren de samenvallende stralen en reconstrueren een driedimensionale kaart van de verspreiding van de tracer. Dit is positronemissietomografie, of PET.

Afhankelijk van de tracer kan PET het glucosemetabolisme, de bloeddoorstroming, de bezetting van dopaminereceptoren, amyloïde-afzetting of vele andere moleculaire processen meten. Het levert daarom functionele en neurochemische informatie op die structurele beeldvorming niet kan bieden. De ruimtelijke resolutie is doorgaans enkele millimeters; de temporele resolutie wordt beperkt door de kinetiek van de tracer.

PET-scans spelen een centrale rol in het onderzoek naar neurodegeneratieve ziekten, verslaving en de werkingsmechanismen van psychoactieve stoffen. Gecombineerde PET/MRI-scanners maken nu gelijktijdige acquisitie van moleculaire en anatomische gegevens mogelijk. De noodzaak van een cyclotron of een nabijgelegen isotopenvoorraad en het gebruik van ioniserende straling vormen echter praktische beperkingen.

Met een zorgvuldig gekozen tracer kan een specifieke receptorpopulatie of een pathologisch eiwit zichtbaar worden gemaakt in de levende hersenen.