将标记有正电子发射同位素的分子注入血液，该分子会根据其生物学特性在组织中积聚。当发射的正电子与电子湮灭时，会产生两束伽马射线；头部周围的探测器会记录这两束伽马射线，并重建示踪剂分布的三维图像。这就是正电子发射断层扫描，简称PET。

根据所用示踪剂的不同，PET 可以测量葡萄糖代谢、血流、多巴胺受体占有率、淀粉样蛋白沉积或许多其他分子过程。因此，它能够提供结构成像无法提供的功能和神经化学信息。空间分辨率通常为几毫米；时间分辨率则受限于示踪剂的动力学。

正电子发射断层扫描（PET）在神经退行性疾病、成瘾以及精神活性药物的作用机制研究中发挥了核心作用。如今，PET/MRI联用扫描仪能够同时采集分子和解剖数据。然而，对回旋加速器或附近同位素供应的需求以及电离辐射的使用是实际应用中的限制因素。

精心选择的示踪剂可以使活体大脑中的特定受体群或病理蛋白显现出来。