Uma molécula marcada com um isótopo emissor de positrões é injetada na corrente sanguínea e acumula-se nos tecidos de acordo com as suas propriedades biológicas. Quando o positrão emitido se aniquila com um eletrão, são produzidos dois raios gama; os detetores em redor da cabeça registam os raios coincidentes e reconstroem um mapa tridimensional da distribuição do traçador. Trata-se da tomografia por emissão de positrões, ou PET.

Dependendo do traçador, a PET pode medir o metabolismo da glicose, o fluxo sanguíneo, a ocupação dos recetores de dopamina, a deposição de amiloide ou muitos outros processos moleculares. Portanto, fornece informações funcionais e neuroquímicas que a imagem estrutural não consegue. A resolução espacial é tipicamente de alguns milímetros; a resolução temporal é limitada pela cinética do traçador.

A PET tem sido fundamental para o estudo das doenças neurodegenerativas, da toxicodependência e dos mecanismos de ação dos fármacos psicoativos. Os equipamentos combinados de PET/RM permitem agora a aquisição simultânea de dados moleculares e anatómicos. A necessidade de um ciclotrão ou de um fornecimento de isótopos nas proximidades, bem como a utilização de radiação ionizante, são limitações práticas.

Um marcador bem escolhido pode tornar visível uma população específica de recetores ou uma proteína patológica no cérebro vivo.