Cząsteczka znakowana izotopem emitującym pozytony jest wstrzykiwana do krwiobiegu i akumuluje się w tkankach zgodnie ze swoimi właściwościami biologicznymi. Kiedy emitowany pozyton anihiluje z elektronem, powstają dwa promienie gamma; detektory otaczające głowicę rejestrują promienie koincydujące i rekonstruują trójwymiarową mapę rozmieszczenia znacznika. To jest pozytonowa tomografia emisyjna, czyli PET.

W zależności od znacznika, PET może mierzyć metabolizm glukozy, przepływ krwi, zajętość receptorów dopaminowych, odkładanie się amyloidu i wiele innych procesów molekularnych. W ten sposób dostarcza informacji funkcjonalnych i neurochemicznych, których nie jest w stanie zapewnić obrazowanie strukturalne. Rozdzielczość przestrzenna wynosi zazwyczaj kilka milimetrów; rozdzielczość czasowa jest ograniczona przez kinetykę znacznika.

PET odegrała kluczową rolę w badaniach nad chorobami neurodegeneracyjnymi, uzależnieniami i mechanizmami działania leków psychoaktywnych. Połączone skanery PET/MRI umożliwiają obecnie jednoczesne pozyskiwanie danych molekularnych i anatomicznych. Potrzeba cyklotronu lub pobliskiego źródła izotopów oraz zastosowanie promieniowania jonizującego stanowią ograniczenia praktyczne.

Dobrze dobrany znacznik może uwidocznić określoną populację receptorów lub patologiczne białko w żywym mózgu.