大脑中神经元与神经元的连接构成了复杂而又精密的神经网络。解析神经网络的结构与功能将有助于准确地理解大脑行使功能的机制及神经精神疾病的发病机理。嗜神经病毒示踪技术与磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)是解析神经网络的两种重要方法。它们主要的优势分别是可实现神经网络的精细解析与全脑尺度的活体观察。通过将两者联合运用,各取所长,已产生了颇具优势的新方法,如光遗传学功能磁共振成像(optogenetic functional MRI,ofMRI)以及化学遗传学功能磁共振成像(chemogentic functional MRI,chemo-fMRI)等。在此基础上,本论文从两方面研究了嗜神经病毒示踪和磁共振成像联用的神经网络解析方法,以期实现在活体水平更精确更特异地解析大脑网络。一方面,通过结合MRI报告基因和工具病毒载体,本论文试图利用MRI在活体水平观察大脑神经连接,从而扩展现有的通过离体荧光成像观察结果的病毒标记方法。首先,我们构建了携带MRI报告蛋白铁蛋白(Ferritin)与绿色荧光蛋白(Enhanced Green Fluorescent Protein,EGFP)融合基因的重组水疱性口炎病毒rVSV(rVSV-Ferritin-EGFP),将其注射在小鼠体感皮层(Somatosensory Cortex,SC)后,对离体鼠脑进行MRI成像,SC、运动皮层(Motor Cortex,MC)、纹状体(Caudate Putamen,CPu)和丘脑(Thalamus,TH)等多个脑区呈现出明显的T2加权暗信号,并且这些区域和绿色荧光信号的位置几乎完全一致。至此,我们不仅实现了 MRI和荧光的双模态成像,更重要的是实现了 MRI所观察的全脑范围宏观神经网络和显微光学成像所观察的全脑介观神经网络的直接关联。然而,由于VSV相关的生物安全限制,注射了 rVSV-Ferritin-EGFP病毒的小鼠无法进行活体MRI实验。为了能在活体水平上观察神经连接,我们进一步构建了携带Ferritin的无致病性的重组腺相关病毒rAAV2-retro(rAAV-retro-CAG-Ferritin-WPRE-pA),并将此重组病毒注射在小鼠的CPu脑区,随后不同时间点的活体MRI实验结果显示了基底外侧杏仁核(BasoLateral Amygdaloid nucleus,anterior part,BLA)、海马(Hippocampus,Hipp)、MC 等脑区的 T2加权暗信号。总之,携带Ferritin-EGFP的顺向跨多级突触的rVSV可在全脑范围内通过MRI显示与注射位点有神经连接的下游脑区,携带Ferritin的rAAV2-retro可实现活体长时程地展示神经纤维投射到注射位点的上游脑区。以上方法将有助于在活体水平通过MRI进行啮齿类与非人灵长类动物的嗜神经病毒依赖的大脑结构网络示踪。另一方面,通过结合转基因动物,本论文将rAAV病毒携带的化学遗传学元件表达于特定类型神经元内,从而使chemo-fMRI方法精细到特定类型神经元调控的功能网络解析中。本文以腹侧被盖区(Ventral Tegmental Area,VTA)的多巴胺能神经元为例,评估了该方法解析多巴胺能神经元调控的功能网络的有效性。我们特异性激活VTA的多巴胺能神经元或CamKII阳性神经元(包含部分谷氨酸能神经元与部分多巴胺能神经元),同时记录全脑的BOLD-fMRI信号响应。结果表明,激活右侧VTA的多巴胺能神经元后,除了 VTA,全脑范围内仅有部分前额叶(medial PreFrontal Cortex,mPFC)、扣带回(Cingulate cortex,Cg)及隔区(Septum)呈现小范围的BOLD信号上升,而在直接接受VTA的多巴胺能神经元调控的腹侧纹状体(伏隔核和嗅结节)区域并未观察到BOLD信号改变。激活右侧VTA的CamKII阳性神经元后,全脑有多个脑区显示出明显的BOLD信号升高,其中包括 VTA、mPFC、Cg、Septum、Hipp、右侧岛叶(Insular)、右侧 TH、右侧MC、右侧顶叶联合皮层(Parietal Association cortex,PtA)和右侧视觉皮层(Visual Cortex,ViC)等区域。此部分结果提示,下游BOLD信号变化与VTA多巴胺能神经元的投射之间不存在一一对应关系,亦即多巴胺作为一种神经调质,其对于远程脑区BOLD信号的调控并不明确。因此,对于ofMRI或chemo-fMRI 方法获得的多巴胺能神经元调控的功能网络结果,还需要谨慎解释。