Pozitron yayan bir izotopla etiketlenmiş bir molekül kan dolaşımına enjekte edilir ve biyolojik özelliklerine göre dokularda birikir. Yayılan pozitron bir elektronla yok olduğunda iki gama ışını üretilir; başı çevreleyen dedektörler eş zamanlı ışınları kaydeder ve izleyicinin dağılımının üç boyutlu bir haritasını yeniden oluşturur. İşte bu, pozitron emisyon tomografisi veya PET'tir.

Kullanılan izleyici maddeye bağlı olarak, PET glikoz metabolizmasını, kan akışını, dopamin reseptörü doluluğunu, amiloid birikimini veya diğer birçok moleküler süreci ölçebilir. Bu nedenle, yapısal görüntülemenin sağlayamadığı fonksiyonel ve nörokimyasal bilgiler sunar. Mekansal çözünürlük tipik olarak birkaç milimetredir; zamansal çözünürlük ise izleyici maddenin kinetiğiyle sınırlıdır.

PET, nörodejeneratif hastalıklar, bağımlılık ve psikoaktif ilaçların mekanizmalarının incelenmesinde merkezi bir rol oynamıştır. Kombine PET/MRI tarayıcıları artık moleküler ve anatomik verilerin eş zamanlı olarak elde edilmesine olanak tanır. Ancak, siklotron veya yakındaki bir izotop kaynağına duyulan ihtiyaç ve iyonlaştırıcı radyasyon kullanımı pratik kısıtlamalardır.

İyi seçilmiş bir izleyici madde, canlı beyinde belirli bir reseptör popülasyonunu veya patolojik proteini görünür hale getirebilir.