Nella spettroscopia il segnale derivante da un dato elemento viene separato in funzione delle sue varie forme chimiche. La base di questo processo risiede nel fatto che il campo magnetico che agisce sul nucleo atomico viene minimamente ma in maniera significativa modificato dai campi prodotti dagli elettroni presenti nella stessa molecola. Ne consegue il cosiddetto "chemical shift" o spostamento chimico, cioè uno spostamento della frequenza di risonanza del nucleo dipendente dalla conformazione molecolare. Uno spettro non è altro che la rappresentazione dell'intensità dell'energia assorbita in funzione della frequenza di risonanza, in cui le varie forme chimiche di un elemento determinano un picco in posizioni caratteristiche diverse fra loro.
Tale tecnica consente di monitorare in vivo, in modo non invasivo, in un singolo volume (VOI) o in più volumi contemporaneamente (spettroscopia per immagini) alcuni metaboliti cerebrali ed ottenere informazioni di natura metabolica. Si possono ottenere informazioni da più nuclei (P, C, H, F, Na) ma le principali applicazioni cliniche hanno riguardato i nuclei del fosforo e soprattutto il protone (1H-MRS).
Le tecniche di spettroscopia per immagini sembrano essere superiori in quanto consentono di ottenere una mappa della distribuzione dei metaboliti con lo stesso tempo utile per ottenere informazioni da un singolo volume di interesse; ciò permette una valutazione coordinata con quella delle lesioni in DWI.
La 1H-MRS fornisce sicure informazioni di alcuni metaboliti quali: composti contenenti colina, creatina-fosfocreatina, N-acetilaspartato, e, in condizioni patologiche, lattato.
Il segnale della colina viene considerato un indice della degenerazione e/o del ricambio delle membrane cellulari. Il segnale della creatinina-fosfocreatina può fornire una misura indiretta del metabolismo cellulare legato ai fosfati. Il segnale da N-acetilaspartato si considera correlato alla vitalità o funzionalità neuronale. Studi recenti indicano come l'entità della riduzione dell'N-acetilaspartato sia correlabile anche ad una peggiore prognosi a distanza.[160] Il lattato è rilevabile solo quando la cellula è in carenza di ossigeno e quindi attiva il percorso anaerobico della glicolisi; il suo segnale è perciò di particolare interesse in processi ischemici od infiammatori.
L'uso combinato con la DWI può rappresentare un ulteriore ausilio nel predire l'esito e utilità nella selezione dei pazienti per interventi terapeutici della fase acuta e cronica.[161] L'utilità clinica della MRS è però molto limitata dalla lunga durata dell'esame e dalle difficoltà legate ad una quantificazione della concentrazione assoluta dei metaboliti.