Et molekyl merket med en positronemitterende isotop injiseres i blodet og akkumuleres i vev i henhold til sine biologiske egenskaper. Når det emitterte positronet annihilerer med et elektron, produseres to gammastråler; detektorer som omgir hodet registrerer de sammenfallende strålene og rekonstruerer et tredimensjonalt kart over sporstoffets fordeling. Det er positronemisjonstomografi, eller PET.

Avhengig av sporstoffet kan PET måle glukosemetabolisme, blodstrøm, dopaminreseptorbelegg, amyloidavsetning eller mange andre molekylære prosesser. Den gir derfor funksjonell og nevrokjemisk informasjon som strukturell avbildning ikke kan. Romlig oppløsning er vanligvis noen få millimeter; tidsmessig oppløsning er begrenset av sporstoffets kinetikk.

PET har vært sentralt i studiet av nevrodegenerative sykdommer, avhengighet og mekanismene bak psykoaktive legemidler. Kombinerte PET/MR-skannere tillater nå samtidig innsamling av molekylære og anatomiske data. Behovet for en syklotron eller nærliggende isotopforsyning og bruk av ioniserende stråling er praktiske begrensninger.

En velvalgt sporstoff kan synliggjøre en spesifikk reseptorpopulasjon eller et patologisk protein i den levende hjernen.