Die PET ist eine nichtinvasive Bildgebungstechnik, mit der sich spezifische physiologische und pathophysiologische Prozesse im menschlichen Gehirn in vivo untersuchen lassen. Seine hohe Empfindlichkeit und Spezifität wird als ein Hauptvorteil gegenüber anderen medizinischen Bildgebungsmodalitäten angesehen. Die Methode erlaubt u.a. die Untersuchung des zerebralem Metabolismus und der zerebralen Perfusion, spezifischer Neurotransmitter / Rezeptor-Systeme sowie den Nachweis abnormer Eiweiß-Ablagerungen im Gehirn.

Eine gebräuchliche klinische Anwendung der PET besteht in der Messung des zerebralen Glukoseverbrauchs mit dem radiomarkierten Glukoseanalogon 18F-Fluorodeoxyglukose (FDG-PET). Der FDG-Uptake spiegelt die neuronale Funktion wider.
Neurodegenerative Erkrankungen weisen prototypische Muster von Stoffwechselveränderungen auf, denen regionale neuronale Dysfunktionen zugrunde liegen.

Die FDG PET spielt darüber eine wichtige Rolle in der frühzeitigen Diagnose / Differentialdiagnose neurodegenerativer Erkrankungen. Andere Anwendungen umfassen Messungen des zerebralen Blutflusses und des Sauerstoffverbrauchs sowie Untersuchungen spezifischer Neurotransmitter / Rezeptor-Systeme, welche bei bestimmten neurodegenerativen Erkrankungen wie z.B. der Parkinson-Krankheit charakteristische Veränderungen aufweisen. Neuerdings ist es möglich, die zerebrale Verteilung von extrazellulären Amyloid- (Amyloid-PET) und intrazellulären Tau- (Tau-PET) Proteinen nachzuweisen, welche bestimmte neurodegenerative Erkrankungen charakterisieren. Daher kann die PET kann als eine Form der „neuropathologischen Bildgebung“ in vivo verstanden werden.

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