正子斷層掃描（PET掃描）透過檢測放射性示蹤劑（通常是葡萄糖）的分佈來產生大腦活動影像。消耗葡萄糖較多的區域看起來更活躍。

受試者接受少量示蹤劑注射後，即可執行任務或休息，同時頭部周圍的偵測器會記錄發射的正電子。計算機將這些數據重建為圖像，從而顯示相對代謝活動。 PET已被用於研究語言、記憶、情緒以及各種精神和神經疾病的神經關聯。當使用合適的標記化合物時，它還可以追蹤特定神經傳導物質受體的分佈。

空間解析度低於磁振造影（MRI），且由於需要使用放射性物質，掃描頻率受到限制。在許多研究領域，功能性磁振造影（fMRI）已基本取代了正子斷層掃描（PET），因為它無需注射放射性物質，且可以更頻繁地重複掃描。但對於某些臨床問題以及磁振造影（MRI）無法處理的分子標靶的研究，正子斷層掃描（PET）仍具有重要價值。

當需要確定在特定狀態或任務期間哪些大腦區域代謝活躍時，PET 可以提供直接的答案。