MRI pasien dengan neuromielitis optik optik ditandai dengan lesi demielinasi inflamasi sumsum tulang belakang yang panjang, biasanya lebih besar dari tiga segmen vertebra, yang sebagian besar terletak di pusat sumsum tulang belakang pada gambar aksial, yang melibatkan sebagian besar materi abu-abu dan beberapa materi putih. Lesi terutama ditemukan pada segmen serviks dan toraks. Pada fase akut, sumsum tulang belakang membengkak dan, pada kasus yang parah, perubahan seperti rongga dapat terlihat. Lesi dapat meluas ke atas ke bagian bawah medula oblongata di segmen serviks. Pada fase pemulihan, sumsum tulang belakang dapat mengalami atrofi di lokasi lesi. Pada multiple sclerosis, panjang lesi sumsum tulang belakang kurang dari 2 segmen vertebra, dan lesi terutama terletak di materi putih, tanpa pembengkakan sumsum tulang belakang yang signifikan pada fase akut atau atrofi pada fase remisi. Saraf optik yang terkena dampak pada neuromielitis optik menunjukkan pembengkakan dan penebalan, dengan sinyal T1 yang panjang dan sinyal T2 yang panjang pada selubung saraf optik. Patologi menunjukkan bahwa respons inflamasi pada saraf optik menyebabkan obstruksi lokal pada sirkulasi cairan serebrospinal, sehingga menghasilkan gambar berbobot T2 dengan sinyal tinggi yang “seperti orbit”. Pada beberapa pasien tanpa hipermetropia, presentasi yang serupa masih ada. Seiring dengan perkembangan penyakit, beberapa pasien mungkin melihat perubahan sinyal tinggi yang berbintik-bintik pada saraf optik. Pemindaian peningkatan menunjukkan lurik kecil peningkatan pada saraf optik yang terpengaruh. Lebih dari separuh pasien dengan neuromielitis optica optica pada awalnya memiliki pemeriksaan MRI otak yang normal, tetapi pada pemeriksaan MRI berikutnya ditemukan lesi non-spesifik yang abnormal. Sebagian besar lesi ini berukuran kecil dan non-spesifik serta tidak memenuhi kriteria untuk MS, sejumlah kecil terletak di belahan otak, menyatu dengan area subkortikal, dan beberapa terletak di hipotalamus, talamus, triventrikular, periventrikular, dan tangkai, dan lesi di otak ini biasanya tidak membesar.