La compréhension des anomalies cérébrales présentes chez les personnes avec autisme a considérablement évolué depuis l'apparition des méthodes d'imagerie. En effet, des techniques récentes permettent une analyse anatomo-fonctionelle fine et surtout un traitement statistique des images obtenues. Ces méthodes permettent d'investiguer des différences entre les groupes de patients et les groupes contrôles ainsi que la recherche de corrélations entre des anomalies cérébrales et des paramètres cliniques. Actuellement, les études investiguant les bases cérébrales de l'autisme mettent en évidence de façon consistante des anomalies anatomiques et fonctionnelles au sein du réseau du « cerveau social ». Tout d'abord, l'analyse visuelle des imageries par résonance magnétique (IRM) cérébrale chez des enfants avec autisme a permis de mettre en évidence la présence d'anomalies essentiellement localisées au niveau du lobe temporal. De plus, les analyses statistiques ont montré une diminution de la substance grise au niveau du sillon temporal supérieur (STS) chez des enfants avec autisme comparés à un groupe contrôle. Par ailleurs, des études investiguant le fonctionnement cérébral au repos par tomographie par émission de positons (TEP) ont montré une diminution du débit sanguin cérébral (DSC) au repos dans ces mêmes régions chez des enfants avec autisme, ce qui a été confirmé par les mesures du DSC au repos par la méthode IRM-ASL (imagerie par résonance magnétique-arterial spin labeling). De plus, des études en activation cérébrale ont permis de montrer des anomalies d'activation lors de la perception des visages, du regard et de la voix humaine, ainsi que lors de la réalisation de tâches plus complexes de cognition sociale, dans des régions du cerveau social. Enfin, des anomalies de la connectivité anatomique et fonctionnelle entre les régions frontale et temporale ont été mises en évidence dans plusieurs études. Ces régions sont fortement impliquées dans le traitement des stimuli sociaux, qui sont à la base des interactions sociales. Ainsi, les anomalies retrouvées pourraient donc en partie expliquer les difficultés sociales caractéristiques des troubles du spectre de l'autisme (TSA).