將標記有正電子發射同位素的分子注入血液，該分子會根據其生物學特性在組織中積聚。當發射的正電子與電子湮滅時，會產生兩束伽馬射線；頭部周圍的偵測器會記錄這兩束伽瑪射線，並重建示蹤劑分佈的三維影像。這就是正子斷層掃描，簡稱PET。

根據所使用的示蹤劑不同，PET 可以測量葡萄糖代謝、血流、多巴胺受體佔有率、澱粉樣蛋白沉積或許多其他分子過程。因此，它能夠提供結構成像無法提供的功能和神經化學資訊。空間分辨率通常為幾毫米；時間分辨率則受限於示蹤劑的動力學。

正子斷層掃描（PET）在神經退化性疾病、成癮以及精神活性藥物的作用機制研究中發揮了核心作用。如今，PET/MRI聯用掃描儀能夠同時擷取分子和解剖資料。然而，對迴旋加速器或附近同位素供應的需求以及電離輻射的使用是實際應用中的限制因素。

精心挑選的示蹤劑可以使活體大腦中的特定受體群或病理蛋白顯現出來。