МРТ пациентов с оптическим нейромиелитом характеризуется длинными воспалительными демиелинизирующими поражениями спинного мозга, обычно более трех позвоночных сегментов в длину, которые в основном расположены в центре спинного мозга на аксиальных изображениях, вовлекая большую часть серого вещества и часть белого вещества. Поражение в основном наблюдается в шейном и грудном сегментах. В острой фазе спинной мозг отекает, а в тяжелых случаях можно увидеть полостные изменения. Поражение может распространяться вверх до нижней части продолговатого мозга в шейном сегменте. На этапе восстановления спинной мозг в месте поражения может атрофироваться. При рассеянном склерозе длина поражения спинного мозга составляет менее 2 позвоночных сегментов, поражение в основном располагается в белом веществе, без значительного отека спинного мозга в острой фазе или атрофии в фазе ремиссии. Пораженный зрительный нерв при оптическом нейромиелите показывает отек и утолщение, длинные сигналы Т1 и Т2 в оболочке зрительного нерва. Патология демонстрирует, что воспалительная реакция зрительного нерва вызывает локальную обструкцию циркуляции спинномозговой жидкости, что приводит к Т2-взвешенному изображению с «орбитоподобным» высоким сигналом. У некоторых пациентов без гиперметропии подобная картина все же присутствует. По мере прогрессирования заболевания у некоторых пациентов могут наблюдаться точечные высокосигнальные изменения в зрительном нерве. Сканирование с усилением показывает небольшие полосы усиления в пораженном зрительном нерве. Более половины пациентов с оптическим нейромиелитом изначально имеют нормальные результаты МРТ головного мозга, но при последующем обследовании МРТ обнаруживаются аномальные неспецифические поражения. Большинство этих поражений малы и неспецифичны и не соответствуют критериям РС, небольшое количество расположено в полушарии, сливается с подкорковыми областями, а некоторые расположены в гипоталамусе, таламусе, тривентрикулах, перивентрикулах и педункулах, и эти поражения в головном мозге обычно не усиливаются.