O moleculă marcată cu un izotop emițător de pozitroni este injectată în fluxul sanguin și se acumulează în țesuturi în funcție de proprietățile sale biologice. Când pozitronul emis se anihilează cu un electron, se produc două raze gamma; detectoarele care înconjoară capul înregistrează razele coincidente și reconstruiesc o hartă tridimensională a distribuției trasorului. Aceasta este tomografia cu emisie de pozitroni sau PET.

În funcție de trasor, PET poate măsura metabolismul glucozei, fluxul sanguin, gradul de ocupare a receptorilor de dopamină, depunerea de amiloid sau multe alte procese moleculare. Prin urmare, oferă informații funcționale și neurochimice pe care imagistica structurală nu le poate oferi. Rezoluția spațială este de obicei de câțiva milimetri; rezoluția temporală este limitată de cinetica trasorului.

PET a jucat un rol esențial în studiul bolilor neurodegenerative, al dependenței și al mecanismelor drogurilor psihoactive. Scanerele combinate PET/RMN permit acum achiziția simultană de date moleculare și anatomice. Necesitatea unui ciclotron sau a unei alimentări cu izotopi în apropiere și utilizarea radiațiilor ionizante reprezintă constrângeri practice.

Un trasor bine ales poate face ca o populație specifică de receptori sau o proteină patologică să fie vizibilă în creierul viu.