En molekyl märkt med en positronemitterande isotop injiceras i blodomloppet och ackumuleras i vävnader enligt sina biologiska egenskaper. När den emitterade positronen annihilerar med en elektron produceras två gammastrålar; detektorer som omger huvudet registrerar de sammanfallande strålarna och rekonstruerar en tredimensionell karta över spårämnets fördelning. Det är positronemissionstomografi, eller PET.

Beroende på spårämnet kan PET mäta glukosmetabolism, blodflöde, dopaminreceptorbeläggning, amyloidavsättning eller många andra molekylära processer. Den ger därför funktionell och neurokemisk information som strukturell avbildning inte kan. Den rumsliga upplösningen är vanligtvis några millimeter; den tidsmässiga upplösningen begränsas av spårämnets kinetik.

PET har varit centralt för studiet av neurodegenerativa sjukdomar, beroende och mekanismerna bakom psykoaktiva läkemedel. Kombinerade PET/MRI-skannrar möjliggör nu samtidig insamling av molekylära och anatomiska data. Behovet av en cyklotron eller närliggande isotopförsörjning och användningen av joniserande strålning är praktiska begränsningar.

Ett väl valt spårämne kan synliggöra en specifik receptorpopulation eller ett patologiskt protein i den levande hjärnan.