中枢神经系统的显像。神经元之间信息的传递是实现脑功能的物质基础，而信息传递的主要载体是特有的脑神经细胞受体，利用基于SPECT（单光子发射计算机断层仪）和PET（正电子发射断层仪）的分子核医学技术有可能了解中枢神经系统的受体的活动，这有助于揭示脑功能的实质、药物的作用机理，以及多种神经和精神疾病的患病机理及治疗效果。一个典型例子是应用11C标记的N–甲基螺环呱啶酮进行脑多巴胺受体显像。结果显示，基底神经节对这种11C标记的分子有较高的亲和力，而帕金森氏病患者的基底神经节多巴胺受体受损，揭示了多巴胺受体与帕金森氏病有关，从而开创了对人类一些脑功能疾病（如精神分裂症、迟发性运动障碍、老年痴呆症、亨廷顿氏病、帕金森氏病等）进行诊断和病理生理研究的可能性。另一个重要方面是脑代谢的研究，分子核医学的出现使人体脑代谢的研究成为现实。应用最广的是用18F标记的脱氧葡萄糖（18F–FDG）。正常情况下，18F–FDG在大脑两侧的分布均匀。然而在人脑代谢活动中（如学习、记忆、表达、听觉等），其分布会发生变化。因此在人脑高级神经活动研究中，分子核医学已成为不可或缺的研究方法。