La tomoscintigraphie par émission monophotonique (TEMP) et la tomographie par émission de positons (TEP) permettent d'étudier de nombreuses fonctions cérébrales in vivo. Les principales indications de l'imagerie nucléaire cérébrale incluent le diagnostic et le suivi des démences neurodégénératives, les syndromes parkinsoniens, les épilepsies partielles pharmacorésistantes ou encore les tumeurs cérébrales. L'étude du métabolisme glucidique cérébral en TEP est l'examen le plus fréquemment utilisé. Il permet le diagnostic dès le stade prodromal de la maladie d'Alzheimer, des atrophies lobaires et des syndromes « Parkinson plus » en renseignant sur l'existence et la topographie des dysfonctionnements néocorticaux et/ou sous-corticaux. Les radiotraceurs du système dopaminergique permettent d'infirmer ou de confirmer l'existence d'une dénervation dopaminergique nigrostriée en cas de syndrome parkinsonien cliniquement douteux. Enfin, l'entrée très récente dans la pratique clinique de la TEP amyloïde constitue une avancée considérable pour le diagnostic des formes atypiques (notamment des sujets jeunes), complexes de la maladie d'Alzheimer. Ces dix dernières années, l'imagerie en TEP des tumeurs cérébrales, en particulier des gliomes, s'est considérablement développée : elle permet, en complément de l'imagerie par résonance magnétique (IRM) cérébrale, de caractériser une lésion initiale, d'orienter les biopsies, de délimiter l'extension tumorale, de différencier une reprise évolutive de remaniements post-thérapeutiques lors du suivi. Enfin, sur le plan technologique, outre l'amélioration des performances techniques des détecteurs et de la qualité des images ces deux dernières décennies, l'apparition depuis 2011 des systèmes hybrides TEP et IRM a donné une nouvelle impulsion en permettant une analyse multimodale optimale des dysfonctionnements cérébraux.