中脑脑桥被盖区（Pontomesencephalic tegmentum,PMT）通过丰富的纤维连接与中枢神经系统不同核团形成复杂功能环路,在运动和觉醒等功能中发挥重要作用。已有研究根据胆碱能神经元的分布将PMT划分为脚桥被盖核（Pedunculopontine nucleus,PPN）和背外侧被盖核（Laterodorsal tegmental nucleus,LDT）,并对这些胆碱能神经元的环路结构和功能进行了研究,但目前仍然缺少对其输入输出连接规律的系统解析,特别是对单神经元水平的形态特性缺乏深入理解。本文使用荧光显微光学切片断层成像技术（Fluorescence micro-optical sectioning tomography,fMOST）结合病毒示踪,在全脑范围绘制了PPN和LDT胆碱能神经元三维连续的长程输入输出图谱及单神经元形态图谱,并对丘脑投射的功能和连接结构进行了初步探究。结合fMOST和逆行跨单突触病毒标记,本文获取了PMT胆碱能神经元的全脑输入图谱,发现PPN和LDT胆碱能神经元接受从皮层到脊髓的广泛输入。两群神经元的输入脑区相同但连接强度存在差异,PPN接受更多运动相关核团的输入而LDT较多接受脑桥和边缘皮层的输入。此外,免疫荧光染色表明PPN和LDT胆碱能神经元存在直接地相互投射,并且都接受中缝核和蓝斑调质类神经元的单突触输入。结合fMOST和顺行示踪病毒标记,本文获取了PMT胆碱能神经元的全脑输出图谱,发现PPN和LDT胆碱能神经元以不同密度的纤维广泛投射到从皮层到脊髓的各个脑区,其中由PPN发出的偏好投射到上行环路的丘脑等区域,而LDT的更多支配中脑和脑桥。进一步,结合稀疏标记病毒和fMOST成像技术,获取和重建了PMT胆碱能神经元的精细形态,发现单个神经元的轴突分支同时投射到上行和下行环路的多个核团。在上行环路中,单个神经元以三种不同模式支配丘脑,并通过两条分离路径投射到皮层。PPN和LDT的单神经元投射模式相似,根据投射差异可以分为四类,其中PPN神经元的轴突分支更发散,LDT的轴突相对收敛但分支更丰富。输入输出图谱的对比表明PMT胆碱能神经元单向支配大部分的丘脑区域。利用转基因小鼠和逆行病毒示踪,获取了丘脑的胆碱能输入分布,发现PPN和LDT是丘脑乙酰胆碱的主要来源。进一步通过光遗传方法探究了PMT胆碱能神经元单向投射到腹后侧丘脑复合体（Ventral posterior complex of thalamus,VP）环路的功能,发现激活PPN→VP环路会增强小鼠运动,而调控LDT→VP环路则影响焦虑水平。最后,本文分析了PMT→VP神经元的形态和输入,结果表明PPN→VP更多共投射到运动核团并且接受更多运动核团的输入;而LDT→VP偏好共投射到焦虑相关核团,并且接受更多来自焦虑相关核团的输入。提示两群神经元的功能差异可能与形态和上游输入有关。综上所述,本文构建了PPN和LDT胆碱能神经元的全脑输入和输出图谱及单神经元的形态图谱,初步探究了这两个核团中胆碱能神经元在丘脑投射中的功能和连接差异。开展的研究对于理解中脑脑桥胆碱能系统的环路和功能,治疗胆碱能神经元损伤相关疾病具有重要指导意义。