Молекула, меченная изотопом, испускающим позитроны, вводится в кровоток и накапливается в тканях в соответствии со своими биологическими свойствами. При аннигиляции испускаемого позитрона с электроном образуются два гамма-луча; детекторы, расположенные вокруг головы, регистрируют совпадающие лучи и восстанавливают трехмерную карту распределения радиоактивного индикатора. Это позитронно-эмиссионная томография, или ПЭТ.

В зависимости от используемого радиофармацевтического препарата, ПЭТ может измерять метаболизм глюкозы, кровоток, занятость дофаминовых рецепторов, отложение амилоида или многие другие молекулярные процессы. Таким образом, она предоставляет функциональную и нейрохимическую информацию, недоступную для структурной визуализации. Пространственное разрешение обычно составляет несколько миллиметров; временное разрешение ограничено кинетикой радиофармацевтического препарата.

ПЭТ-сканирование играет центральную роль в изучении нейродегенеративных заболеваний, наркомании и механизмов действия психоактивных веществ. Комбинированные ПЭТ/МРТ-сканеры теперь позволяют одновременно получать молекулярные и анатомические данные. Однако необходимость в циклотроне или расположенном поблизости источнике изотопов, а также использование ионизирующего излучения являются практическими ограничениями.

Правильно подобранный радиофармакологический препарат может сделать видимой определенную популяцию рецепторов или патологический белок в живом мозге.