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神経イメージング検査はどのように行われ、何を伝えることができますか？
頭蓋骨の普通のフィルムは、他の臓器系の標準的なx線（単一の放射線源と単一のセンサーまたはフィルム）と同じ原理に従いますが、有用性は限 CT画像（図1）は、回転軸面内でx線を連続的に取得することによって作成されます。 X線と同様に、異なる体組織はCT画像で特定の減衰特性を持っています; これにより、水、脂肪、骨、および他の組織タイプがフィルムまたはデジタルセンサー上で異なるように表示されます。 減衰量が高いほど、CTスキャンでは材料が軽く表示されます。 CTスキャナーは軸方向平面内の連続x線を測定するため、CT画像は通常、軸方向のスライスで表示されます（通常の平面内分解能は1mm未満です）。 計算再構成アルゴリズムは、矢状面または冠状面にCT画像を提示することができるが、そのようなデータ操作は、空間分解能および詳細を失う。1
コントラストのない頭部コンピュータ断層撮影（CT）
緊急治療室の評価の過程で得られたCT。 この脳スキャンは正常範囲内であると読まれました。 振り返ってみると、t2重み付け磁気共鳴イメージングスキャンを使用して、検索をガイドし、腫瘍に対応する右前頭葉の非常に軽度の下垂の領域を特定CT技術は、造影剤を使用することによって強化することができます。
CT技術は、造影剤の使用によって強化することができます。
CT用造影剤は放射線不透過性であり、高いx線減衰を有する; CT画像では白色に見えます。 コントラストは、通常、血管構造（例えば、CT血管造影）または血液脳関門を破壊する病変（例えば、炎症、出血、特定の腫瘍に続発する）の画像化を可能にするた CT造影剤はイオン性または非イオン性であり得るが、現在の神経イメージング用途は、より良い安全性プロファイルを有するため、非イオン性コントラストの使用にほぼ独占的に依存している。2
MRI技術は放射線を使用せず、代わりに体内の水素イオンの磁気特性が使用されます。 MRIの走査器の中の患者は標準的な臨床応用、通常1.5か3Teslaの強い磁石の影響を受けてある。 この磁力は、身体の水素原子のかなりの割合を磁場の方向に整列させる。 短い無線周波数パルスを適用して水素原子のベクトルをシフトし，ミスアラインした。 しかし、パルスが終了した後、水素原子はエネルギーを放出するプロトン緩和と呼ばれるプロセスによって元の整列位置に戻る。 スキャンの間に、多数の無線周波数の脈拍は応用（脈拍順序）であり、電磁石の受信機のコイルはプロトンによって出るエネルギーを測定します。3つの異なる変数は、各水素原子が放出する信号の種類を担当するプロトン緩和プロセスを決定します。 二つの主な要因は、臨床医に関連している：水素原子が発見され、パルスシーケンスが適用される環境。
再配置（プロトン緩和）の過程で、原子はエネルギーを放出するが、これは原子の物理的および化学的環境の関数として変化する。 したがって、プロトンは、それらが見出される組織タイプ（例えば、骨、灰白質、白質、脳脊髄液）に応じて異なる信号を送る。 組織の種類に加えて、MRIパルスシーケンス内のパラメータは、見られる画像の特性も決定する。 プロトン緩和のメカニズムには、T1とT2の2つの時定数があります。 これらの定数は、プロトン緩和プロセスの関連するが、独立した物理的メカニズムを反映しています: T1は磁場と整列した元の平面に向かって緩和を説明し、T2は無線周波数パルスによって強制される平面から離れた緩和を説明します。 T1およびT2緩和成分は、t1またはT2倍を最大化する方法で陽子を強制的に再整列させるように操作することができる。4これらの異なったMRIの議定書は放出されるプロトン緩和プロセスおよび信号を変える;従って、異なったタイプのイメージはティッシュの構造の特 T1重み付け画像（図2A）は、灰白質が白質よりも暗く（組織の外観を反映している）、暗いCSFを示しています。 これらの画像は、脳の正常な構造、ならびに病理学的萎縮、皮質異形成および硬化症を視覚化するのに理想的である。 T2画像（図3A）は、t1重み付けスキャンとは反対のパターンを示し、灰白質は白質（組織とは反対）よりも軽く、明るいCSFを示しています。 これらの画像は、血管変化（慢性微小血管侮辱を含む）、脱髄、一般的な炎症、および浮腫などの病理学的プロセスに対してより敏感である。1
T1磁気共鳴画像（MRI）前（A）と後（B）ガドリニウム造影注入A
aこのT1重み付けMRI画像（A）は、解剖学的構造を非常に詳細に示し、腫瘍は異質で軽度の低 Ｔ２配列と比較して、Ｔ１は、この病変に対してより低い検出感度を提供することに留意されたい。 ガドリニウム造影注入後，造影後画像（Ｂ）はガドリニウム増強を示さず，この時点で無傷の血液脳関門を示唆した。
T2(A)およびT2-FLAIR(B)磁気共鳴画像シーケンス
このパルスシーケンスは、t2(A)およびT2-FLAIR(B)の両方におけるhyperintense病変として右前頭腫瘍を明 2つの画像間のコントラストの違いに注目してください：流体hyperintense信号がFLAIRで抑制されると、病変はそのコントラストを増加させます。
略語: FLAIR=流体減衰反転回復。
T1およびT2重み付け画像は、特定の信号源を抑制するプロトコルで診断解像度を高めるように変更することができます。 例えば、流体減衰反転回復またはＦＬＡＲシーケンスを用いて、Ｔ２重み付け画像中のＣＳＦの超インテンスシグナルを抑制することができる（図３Ｂ）。 従ってこれらのT2イメージはライト現われる灰白質と、より暗い白質とあり、病理学プロセスのための高い診断価値を提供します（発火、浮腫、または虚血 それにもかかわらず、CSFは通常hyperintense信号が抑制されるので黒く現われ、これはCSFと接触して領域（例えば、皮層の縁またはperiventricular領域）の病理学の損害の対照そして可視性を、特に、排他的ではなく、非常に高めます。 同様の戦略では、異なる脂肪抑制MRIアプローチが存在し、脂肪を含む構造が潜在的な病変（例えば、解剖された血管または血栓の周りの血管周囲の脂肪）の可視化を不明瞭にしている場合に使用される。 これらのアプローチは、T1重み付け画像とT2重み付け画像の両方で使用できます。図3表1は、異なるMRI配列の視覚的提示の概要を提供する。
表1に示すように、
磁気共鳴画像シーケンス（T1、T2、T2-FLAIR）の視覚的な外観
シーケンス
灰白質Td>
白質
脳脊髄液
t1
rowspan=”1″colspan=”1″>ダークグレー(Hypointense)
ライトグレー(hyperintense)
T2
ライトグレー(hyperintense)
ダークグレー(hypointense)
ダークグレー(hypointense)
ホワイト
ホワイト
ホワイト
ライトグレー(hypointense)
ホワイト
t2-flair
ライトグレー(hypointense)
ダークグレー(hypointense)
ブラック
略語：flair=流体減衰反転回復。Diffusion-weighted imaging（DWI）は、脳内の水分子の動きを測定する異なるタイプのMRI取得方法です。 水のガラス中の水分子は、等方性の速度論を有し、すなわち、可能なすべての方向に自由に拡散する。 脳内の水分子はランダムに拡散しません;それらの動きは、脳の解剖学的構造と組織構造の制約によって制限されます。 拡散加重イメージングは、脳内の各定義されたボクセル（または体積要素）における水の拡散率を測定することができ、より多くの異方性（すなわち、限られた拡散率）、より多くのハイパーインテンシーボクセルが表示されます。 このアプローチは、拡散テンソル画像で白質トラクトの構造解剖学をマッピングするために使用されています。 この非侵襲的なツールは、生体内での人体解剖学の科学的研究にとって非常に重要ですが、diffuse tensor imagingは、特に神経外科計画において臨床応用が高まっています。より一般的には、DWIは、水分子が減少した拡散性を有する多数の病理学的状態を診断するために使用される。 最も一般的で臨床的に関連する適用は、急性虚血性脳卒中の診断の適用である。 酸素の欠乏は影響を受けた地域の細胞に細胞傷害性の傷害を引き起こし、膨張および浮腫を引き起こします。 これらの条件下では、分子密度の増加により異方性が増加する（急性虚血性脳卒中後の最初の1時間以内にボクセルがDWIでより明るく見える）。 他の病理学的プロセス（膿瘍、高細胞性腫瘍、または興奮毒性など）も、組織構造の密度の増加による水拡散性の限界を示し、DWIスキャンで高濃度病変と同定することができる。1,3
DWIスキャンは、異方性の変化だけでなく、T1およびT2緩和メカニズムにも敏感です。 したがって、T1およびT2信号の変化はDWIマップでも見られ、異方性の変化と誤認される可能性があります。 この現象は、急性および慢性の脳卒中を区別する際に非常に関連している。 誤認を避けるために，ＤＷＩ画像は，見かけの拡散係数マップとして知られる拡散係数の定量的画像と常に比較される。 すなわち、DWIスキャンは、見かけの拡散係数画像とは無関係に分析された場合、診断値が限られており、常に2つのスキャンを比較する必要があります。 任意の病態生理学的プロセスに起因する拡散率の真の減少は、常にDWIのhyperintenseボクセルと見かけの拡散係数スキャンのhypointenseボクセルとして提示されます。 このパターンが観察されない場合、効果を駆動するメカニズムは、異方性の増加とは異なる可能性が高い。 よく知られた例であるT2-shine throughは、慢性虚血性脳卒中で起こる。 これらの病変はT2高強度を示し、DWIでは高強度として現れることもあるが、見かけの拡散係数マップでは正常またはより一般的には高強度の信号を ＤＷＩ画像を単独で見ると，病変は急性脳卒中と混同され，血栓溶解療法を受ける可能性がある。 しかし、すべての画像を一緒に見ると、古いストロークからのT2信号の変化はDWIスキャンを”輝き”、DWIと見かけの拡散係数マップの両方でhyperintense病変として観察4
ガドリニウムは、その常磁性特性のために最も一般的に使用されるMRI造影剤である。 CTイメージングのための造影剤と同様に、ガドリニウムは静脈内に注入され、血液脳関門を破壊する病変を検出または排除するために使用される。 頭部のMR血管造影はCTの血管造影で使用されるように造影剤を使用しないが、代りに、特定のMR脈拍順序はvasculatureの非侵襲的な視覚化を可能にする。1首MR血管造影は、ガドリニウムまたは頭部MR血管造影に使用されるのと同じパルスシーケンスのいずれかを使用することができる。1
機能的MRI（fMRI）は、最近まで研究ツールとしてのみ使用されていた画像モダリティですが、現在は限られたが成長している臨床応用のために開発されています5（図4）。 上記のMRIモダリティとは対照的に、fMRIは、脳領域および回路の機能（構造ではない）を測定するように最適化されている。 そのMRIの脈拍順序はoxyhemoglobinとdeoxyhemoglobin間の比率を検出するように設計されている。 脳領域は、例えば、特定のタスクのコンテキストで、その活動を増加させると、それはまた、その代謝および酸素化の必要性を増加させます。 この文脈では、2つの現象が並行して起こる。 最初に、より多くの酸素が使用されるので、より多くのoxyhemoglobinはdeoxyhemoglobinに回り、絶対量のdeoxyhemoglobinは増加します。 第二に、より多くの酸素が必要であるため、結合された神経血管機構が活性化され、活性依存性の局所血管拡張が誘導され、オキシヘモグロビンによる血液の局所的な流れが増加する。 2つのプロセスの合計は頭脳の活動の増加と相関するoxyhemoglobinの絶対および相対的な増加を引き起こします。 したがって，ｆｍｒｉは局所血流およびオキシヘモグロビン濃度の変化を動的に検出することができ，これらの測定により，脳活動の変化を良好な空間分解能で反映する。6
指タップ（A）と手食いしばり（B）タスクを示す機能的磁気共鳴画像
異なる平面におけるaTwo画像は、指タップ（軸スライス）と手食いしばりタスク（コロナスライス）の活性化を示すために選択された。 右前中心回の腫瘍に注意してください。 この左運動タスクの活性化は非典型的である：主に左前中心回（運動に同側および反対側）にある。 補助運動領域（内側正面）における活性化も注目される。磁気共鳴分光法は、水素原子を超えた特定の化学結合の緩和特性を測定するために使用されるMRIベースのアプリケーションです。
磁気共鳴分光法 以前の方法とは異なり、脳全体を測定するのではなく、事前に定義された領域を選択し、特定の化学元素または分子の相対濃度を測定します。 したがって、磁気共鳴分光法は、脳の構造または機能を測定するために使用されるのではなく、その化学組成を測定するために使用される。 この方法は研究で広く使用されていますが、腫瘍、てんかん病巣、血管病変、または脱髄領域の検出のために臨床現場で徐々にその場所を見つけています。7
陽電子放出断層撮影（PET）は、fmriに似ており、構造情報を提供する標準的なCTおよびMRIスキャンとは異なる、機能的な脳スキャンを得るために使用される核 PET技術は、3つの主要な変数を測定するために使用することができます：地域の血流、代謝変化、および神経伝達物質の動態。 タンパク質合成、セカンドメッセンジャー系、遺伝子発現など、より洗練された生物学的メカニズムを同定するための新しい実験的アプローチが開発されている。8機能的な神経画像法でもあるfMRIとは異なり、PETは、γ光子の形でエネルギーを放出しながら、脳（および他のすべての器官）に選択的に分布する放射性物質 これらの光子の局所取り込み、分布、およびウォッシュアウトは、スキャナに存在する特別な受容体コイルを使用して定量化することができ、計算された情報は、関心のある神経生物学的変数（例えば、血流、グルコース吸収、ドーパミン受容体密度）を識別する脳の断層画像を得るために使用することができる。陽電子放射断層撮影は、放射性核種と呼ばれる化学元素の陽電子放出同位体を必要とします。
陽電子放出断層撮影は、放射性核種と呼ばれる化学元素 核種は、11-炭素（11C）、15-酸素（15O）、18-フッ素（18F）、および13-窒素（13N）などの有機分子に一般的に見られる化学元素の核に正の電荷を加えることによってサイクロトロンで作成される。 これらの核種を使用すると、これらの放射性元素の1つを運び、したがって放射性エネルギー（π光子）を放出する生物学的意義の分子である放射性医薬品を作成することができる。 核種は陽子を過剰に持っているので、より安定した状態に戻るために正に荷電した粒子（陽電子）を放出する。 この陽電子は、核を取り囲む負に帯電した電子と衝突し、この衝突（消滅イベント）の結果として、2つのπ光子が生成される。 これらの2つのπ光子は、衝突後、PETカメラの検出器に到着するまで、互いに反対方向（180°）に推進されます。 互いに反対側に位置するPETカメラの検出器は、一致回路で接続され、同期されているので、両方が与えられた時間窓内でγ光子を受信すると、2つの検出器を接続するベクトル内の特定の点で発生した消滅イベントの結果として識別することができる。 画像再構成アルゴリズムは、衝突が発生した正確な位置を特定し、断層脳画像でそれを説明することができます。
放射性医薬品の性質と化学的設計は、測定できる生物学的機能を決定するものです。 血流を測定するために、半減期が短い（約2分）15Oを選択することができ、静脈内に注入される放射性水分子（H215O）を生成するために使用することが また、吸入することができる放射性二酸化炭素（C15O2）を生成するために15Oを使用することもできます。 代謝活性を測定するために、細胞がグルコース（18F-fluorodeoxyglucoseまたは18F-FDG）と混同する化合物を作成し、放射性標識することができる。 従ってfdgはブドウ糖のような細胞でちょうど吸収され、リン酸化されますが、新陳代謝の細道でそれ以上処理されないし、そして細胞で引っ掛かった残 重要なことは、fdgはグルコースと同じように細胞の代謝ニーズに比例して吸収されることです。 その結果、代謝的に過活動性ニューロン（ictal焦点のような）はより多くの放射性化合物を捕捉し、低活動性ニューロン（神経変性領域のような）はより低い割合のγ光子を放出する。 これらの変化は脳の地図に反映されます。
局所血流または代謝の変化は、脳活動の間接的な尺度として使用することができ、これは代替モダリティ（fMRIなど）でも測定することができる。
それにもかかわらず、核医学の技術に独特の適用は神経伝達物質の原動力の査定である。 Radioligandは血流および他の構造から急速に取り除かれるが、ターゲット、通常神経伝達物質の受容器に付す(そして探索可能)残るように興味のターゲットのための大きい類縁および他のすべてのターゲットのための大いにより低い類縁があるように設計されている特定のタイプのradiopharmaceuticalです。 放射性リガンドはまた、血液脳関門を通過し、生物学的に不活性でなければならない。8
単一光子放出コンピュータ断層撮影法（SPECT）も核医学モダリティですが、物理的反応および放出される粒子においてPETとは異なります。 SPECT核種自体（放出された陽電子とは対照的に）は、より安定になるために局所電極と衝突し、その反応は単一の光子（PETのように2光子ではない）を放出す ＳＰＥＣＴ法はＰＥＴよりも空間分解能と感度が悪く，これはＰＥＴが優れている深い構造で最も顕著である。 それはPET生物学的プロセスの広い配列の測定を可能にする核種の豊富な種類を使用することはできませんようにまた、SPECTは、あまり汎用性があります。 それにもかかわらず、SPECTははるかに安く、一般的にはより一般的に利用可能です。 PETのより高い費用は異なった変数によって最もかなりサイクロトロンおよびradiopharmaceutical統合の機能を現地で持つ必要性によって運転される（プロダクトの短い半減期を与えられる）。 対照的に、ＳＰＥＣＴ化合物は、オフサイトで合成することができる。 SPECTで一般的に使用される元素は、テクネチウム（99mTc）、ヨウ素（123I）、キセノン（133xe）である。 これらの核種は、SPECT放射性医薬品を作成するために生物学的分子に結合することができるが、テクネチウム、ヨウ素、またはキセノンは、一般的な生化学8
磁気共鳴画像シーケンス（T1、T2、T2-FLAIR）の視覚的な外観
| シーケンス | 灰白質Td> | 白質 | 脳脊髄液 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| t1 | rowspan=”1″colspan=”1″>ダークグレー(Hypointense) | ライトグレー(hyperintense) | T2 | ライトグレー(hyperintense) | ダークグレー(hypointense) | ダークグレー(hypointense) | ホワイト | ホワイト | ホワイト | ライトグレー(hypointense) | ホワイト | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| t2-flair | ライトグレー(hypointense) | ダークグレー(hypointense) | ブラック |
略語：flair=流体減衰反転回復。Diffusion-weighted imaging（DWI）は、脳内の水分子の動きを測定する異なるタイプのMRI取得方法です。 水のガラス中の水分子は、等方性の速度論を有し、すなわち、可能なすべての方向に自由に拡散する。 脳内の水分子はランダムに拡散しません;それらの動きは、脳の解剖学的構造と組織構造の制約によって制限されます。 拡散加重イメージングは、脳内の各定義されたボクセル（または体積要素）における水の拡散率を測定することができ、より多くの異方性（すなわち、限られた拡散率）、より多くのハイパーインテンシーボクセルが表示されます。 このアプローチは、拡散テンソル画像で白質トラクトの構造解剖学をマッピングするために使用されています。 この非侵襲的なツールは、生体内での人体解剖学の科学的研究にとって非常に重要ですが、diffuse tensor imagingは、特に神経外科計画において臨床応用が高まっています。より一般的には、DWIは、水分子が減少した拡散性を有する多数の病理学的状態を診断するために使用される。 最も一般的で臨床的に関連する適用は、急性虚血性脳卒中の診断の適用である。 酸素の欠乏は影響を受けた地域の細胞に細胞傷害性の傷害を引き起こし、膨張および浮腫を引き起こします。 これらの条件下では、分子密度の増加により異方性が増加する（急性虚血性脳卒中後の最初の1時間以内にボクセルがDWIでより明るく見える）。 他の病理学的プロセス（膿瘍、高細胞性腫瘍、または興奮毒性など）も、組織構造の密度の増加による水拡散性の限界を示し、DWIスキャンで高濃度病変と同定することができる。1,3
DWIスキャンは、異方性の変化だけでなく、T1およびT2緩和メカニズムにも敏感です。 したがって、T1およびT2信号の変化はDWIマップでも見られ、異方性の変化と誤認される可能性があります。 この現象は、急性および慢性の脳卒中を区別する際に非常に関連している。 誤認を避けるために，ＤＷＩ画像は，見かけの拡散係数マップとして知られる拡散係数の定量的画像と常に比較される。 すなわち、DWIスキャンは、見かけの拡散係数画像とは無関係に分析された場合、診断値が限られており、常に2つのスキャンを比較する必要があります。 任意の病態生理学的プロセスに起因する拡散率の真の減少は、常にDWIのhyperintenseボクセルと見かけの拡散係数スキャンのhypointenseボクセルとして提示されます。 このパターンが観察されない場合、効果を駆動するメカニズムは、異方性の増加とは異なる可能性が高い。 よく知られた例であるT2-shine throughは、慢性虚血性脳卒中で起こる。 これらの病変はT2高強度を示し、DWIでは高強度として現れることもあるが、見かけの拡散係数マップでは正常またはより一般的には高強度の信号を ＤＷＩ画像を単独で見ると，病変は急性脳卒中と混同され，血栓溶解療法を受ける可能性がある。 しかし、すべての画像を一緒に見ると、古いストロークからのT2信号の変化はDWIスキャンを”輝き”、DWIと見かけの拡散係数マップの両方でhyperintense病変として観察4
ガドリニウムは、その常磁性特性のために最も一般的に使用されるMRI造影剤である。 CTイメージングのための造影剤と同様に、ガドリニウムは静脈内に注入され、血液脳関門を破壊する病変を検出または排除するために使用される。 頭部のMR血管造影はCTの血管造影で使用されるように造影剤を使用しないが、代りに、特定のMR脈拍順序はvasculatureの非侵襲的な視覚化を可能にする。1首MR血管造影は、ガドリニウムまたは頭部MR血管造影に使用されるのと同じパルスシーケンスのいずれかを使用することができる。1
機能的MRI（fMRI）は、最近まで研究ツールとしてのみ使用されていた画像モダリティですが、現在は限られたが成長している臨床応用のために開発されています5（図4）。 上記のMRIモダリティとは対照的に、fMRIは、脳領域および回路の機能（構造ではない）を測定するように最適化されている。 そのMRIの脈拍順序はoxyhemoglobinとdeoxyhemoglobin間の比率を検出するように設計されている。 脳領域は、例えば、特定のタスクのコンテキストで、その活動を増加させると、それはまた、その代謝および酸素化の必要性を増加させます。 この文脈では、2つの現象が並行して起こる。 最初に、より多くの酸素が使用されるので、より多くのoxyhemoglobinはdeoxyhemoglobinに回り、絶対量のdeoxyhemoglobinは増加します。 第二に、より多くの酸素が必要であるため、結合された神経血管機構が活性化され、活性依存性の局所血管拡張が誘導され、オキシヘモグロビンによる血液の局所的な流れが増加する。 2つのプロセスの合計は頭脳の活動の増加と相関するoxyhemoglobinの絶対および相対的な増加を引き起こします。 したがって，ｆｍｒｉは局所血流およびオキシヘモグロビン濃度の変化を動的に検出することができ，これらの測定により，脳活動の変化を良好な空間分解能で反映する。6
指タップ（A）と手食いしばり（B）タスクを示す機能的磁気共鳴画像
異なる平面におけるaTwo画像は、指タップ（軸スライス）と手食いしばりタスク（コロナスライス）の活性化を示すために選択された。 右前中心回の腫瘍に注意してください。 この左運動タスクの活性化は非典型的である：主に左前中心回（運動に同側および反対側）にある。 補助運動領域（内側正面）における活性化も注目される。磁気共鳴分光法は、水素原子を超えた特定の化学結合の緩和特性を測定するために使用されるMRIベースのアプリケーションです。
磁気共鳴分光法 以前の方法とは異なり、脳全体を測定するのではなく、事前に定義された領域を選択し、特定の化学元素または分子の相対濃度を測定します。 したがって、磁気共鳴分光法は、脳の構造または機能を測定するために使用されるのではなく、その化学組成を測定するために使用される。 この方法は研究で広く使用されていますが、腫瘍、てんかん病巣、血管病変、または脱髄領域の検出のために臨床現場で徐々にその場所を見つけています。7
陽電子放出断層撮影（PET）は、fmriに似ており、構造情報を提供する標準的なCTおよびMRIスキャンとは異なる、機能的な脳スキャンを得るために使用される核 PET技術は、3つの主要な変数を測定するために使用することができます：地域の血流、代謝変化、および神経伝達物質の動態。 タンパク質合成、セカンドメッセンジャー系、遺伝子発現など、より洗練された生物学的メカニズムを同定するための新しい実験的アプローチが開発されている。8機能的な神経画像法でもあるfMRIとは異なり、PETは、γ光子の形でエネルギーを放出しながら、脳（および他のすべての器官）に選択的に分布する放射性物質 これらの光子の局所取り込み、分布、およびウォッシュアウトは、スキャナに存在する特別な受容体コイルを使用して定量化することができ、計算された情報は、関心のある神経生物学的変数（例えば、血流、グルコース吸収、ドーパミン受容体密度）を識別する脳の断層画像を得るために使用することができる。陽電子放射断層撮影は、放射性核種と呼ばれる化学元素の陽電子放出同位体を必要とします。
陽電子放出断層撮影は、放射性核種と呼ばれる化学元素 核種は、11-炭素（11C）、15-酸素（15O）、18-フッ素（18F）、および13-窒素（13N）などの有機分子に一般的に見られる化学元素の核に正の電荷を加えることによってサイクロトロンで作成される。 これらの核種を使用すると、これらの放射性元素の1つを運び、したがって放射性エネルギー（π光子）を放出する生物学的意義の分子である放射性医薬品を作成することができる。 核種は陽子を過剰に持っているので、より安定した状態に戻るために正に荷電した粒子（陽電子）を放出する。 この陽電子は、核を取り囲む負に帯電した電子と衝突し、この衝突（消滅イベント）の結果として、2つのπ光子が生成される。 これらの2つのπ光子は、衝突後、PETカメラの検出器に到着するまで、互いに反対方向（180°）に推進されます。 互いに反対側に位置するPETカメラの検出器は、一致回路で接続され、同期されているので、両方が与えられた時間窓内でγ光子を受信すると、2つの検出器を接続するベクトル内の特定の点で発生した消滅イベントの結果として識別することができる。 画像再構成アルゴリズムは、衝突が発生した正確な位置を特定し、断層脳画像でそれを説明することができます。
放射性医薬品の性質と化学的設計は、測定できる生物学的機能を決定するものです。 血流を測定するために、半減期が短い（約2分）15Oを選択することができ、静脈内に注入される放射性水分子（H215O）を生成するために使用することが また、吸入することができる放射性二酸化炭素（C15O2）を生成するために15Oを使用することもできます。 代謝活性を測定するために、細胞がグルコース（18F-fluorodeoxyglucoseまたは18F-FDG）と混同する化合物を作成し、放射性標識することができる。 従ってfdgはブドウ糖のような細胞でちょうど吸収され、リン酸化されますが、新陳代謝の細道でそれ以上処理されないし、そして細胞で引っ掛かった残 重要なことは、fdgはグルコースと同じように細胞の代謝ニーズに比例して吸収されることです。 その結果、代謝的に過活動性ニューロン（ictal焦点のような）はより多くの放射性化合物を捕捉し、低活動性ニューロン（神経変性領域のような）はより低い割合のγ光子を放出する。 これらの変化は脳の地図に反映されます。
局所血流または代謝の変化は、脳活動の間接的な尺度として使用することができ、これは代替モダリティ（fMRIなど）でも測定することができる。
それにもかかわらず、核医学の技術に独特の適用は神経伝達物質の原動力の査定である。 Radioligandは血流および他の構造から急速に取り除かれるが、ターゲット、通常神経伝達物質の受容器に付す(そして探索可能)残るように興味のターゲットのための大きい類縁および他のすべてのターゲットのための大いにより低い類縁があるように設計されている特定のタイプのradiopharmaceuticalです。 放射性リガンドはまた、血液脳関門を通過し、生物学的に不活性でなければならない。8
単一光子放出コンピュータ断層撮影法（SPECT）も核医学モダリティですが、物理的反応および放出される粒子においてPETとは異なります。 SPECT核種自体（放出された陽電子とは対照的に）は、より安定になるために局所電極と衝突し、その反応は単一の光子（PETのように2光子ではない）を放出す ＳＰＥＣＴ法はＰＥＴよりも空間分解能と感度が悪く，これはＰＥＴが優れている深い構造で最も顕著である。 それはPET生物学的プロセスの広い配列の測定を可能にする核種の豊富な種類を使用することはできませんようにまた、SPECTは、あまり汎用性があります。 それにもかかわらず、SPECTははるかに安く、一般的にはより一般的に利用可能です。 PETのより高い費用は異なった変数によって最もかなりサイクロトロンおよびradiopharmaceutical統合の機能を現地で持つ必要性によって運転される（プロダクトの短い半減期を与えられる）。 対照的に、ＳＰＥＣＴ化合物は、オフサイトで合成することができる。 SPECTで一般的に使用される元素は、テクネチウム（99mTc）、ヨウ素（123I）、キセノン（133xe）である。 これらの核種は、SPECT放射性医薬品を作成するために生物学的分子に結合することができるが、テクネチウム、ヨウ素、またはキセノンは、一般的な生化学8