A RM de doentes com neuromielite óptica caracteriza-se por lesões desmielinizantes inflamatórias da medula espinal longas, geralmente de comprimento superior a três segmentos vertebrais. As lesões encontram-se principalmente nos segmentos cervicais e torácicos. Na fase aguda, a medula espinal está inchada e, em casos graves, podem ser observadas alterações do tipo cavidade. A lesão pode estender-se para cima até à parte inferior da medula oblonga no segmento cervical. Na fase de recuperação, a medula espinal pode atrofiar no local da lesão. Na esclerose múltipla, o comprimento da lesão medular é inferior a 2 segmentos vertebrais, e a lesão situa-se principalmente na matéria branca, sem inchaço significativo da medula espinal na fase aguda ou atrofia na fase de remissão. O nervo óptico afectado na neuromielite óptica mostra inchaço e espessamento, com sinais longos T1 e longos T2 na bainha do nervo óptico. A patologia demonstra que a resposta inflamatória do nervo óptico causa obstrução local da circulação do líquido cefalorraquidiano, resultando numa imagem ponderada em T2 com um sinal “orbital” elevado. Em alguns pacientes sem hipermetropia, uma apresentação semelhante ainda está presente. À medida que a doença progride, alguns doentes podem ver alterações pontuais de alto sinal no nervo óptico. Os exames de melhoramento mostram pequenas estrias de melhoramento no nervo óptico afectado. Mais de metade dos doentes com neuromielite óptica têm inicialmente exames de ressonância magnética cerebral normal, mas na ressonância magnética subsequente são encontradas lesões anormais não específicas. A maioria destas lesões são pequenas e não específicas e não satisfazem os critérios para EM, um pequeno número está localizado no hemisfério, fundido às áreas subcorticais, e algumas estão localizadas no hipotálamo, tálamo, triventrículos, periventrículos, e pedúnculo, e estas lesões no cérebro são geralmente não potenciadoras.