This study investigates the intricate balance between bilateral symmetry and asymmetry in the nervous system, exploring the tradeoff between redundancy and functional diversity. Focusing on the nematode roundworm Caenorhabditis elegans and Drosophila larvae as model systems due to its well-specified and thoroughly studied neural connectome, our research employs a three-phase approach:
1. Graph-Theoretic Analysis of Redundancy Measures: Examination of graph-theoretic measures associated with redundancy in the C. elegans connectome.
2. Quantification of Symmetry and Classification of Functional Asymmetries: Utilization of degeneracy measures to quantify symmetry and classify functional asymmetries within the C. elegans connectome.
3. Redundancy Analysis Across Networks: Analysis of redundancy in C. elegans sub-network connectomes and Drosophila larvae connectome.
Our findings reveal a high degree of bilateral symmetry in the connectomes, facilitating contralateral compensation for global information flow and promoting similar functionalities between neuron pairs. Simultaneously, network asymmetry prevents complete redundancy, preserving the capacity for diverse functions and suggesting a mechanism of high degeneracy in the network, ensuring robustness and diversity in neural wiring. Subsystem analysis indicates interneuron systems exhibit high bilateral redundancy, sensory systems display lateralization, and the motor system remains unbiased.
Furthermore, the application of degeneracy measures has successfully classified functionally asymmetric neurons, notably ASE and AWC, in both sexes of C. elegans. Our analysis has revealed both commonalities, such as IL1D and AIM, and differences in the classification of asymmetric neurons between hermaphrodite (HSN) and male (BAG) C. elegans connectomes. To assess the significance of these asymmetric connections, we conducted a vulnerability analysis, shedding light on potential biological roles for the classified asymmetric neurons.
This comprehensive analysis provides valuable insights into the design principles of neural networks, emphasizing the delicate balance between symmetry and asymmetry in achieving adaptability and functionality. Furthermore, the study suggests a deeper understanding of the role of asymmetry in neural processes and unveils previously unknown asymmetric functions.
본 박사학위 논문은 신경계에서 양측 대칭과 비대칭 사이의 복잡한 균형을 조사하여 중복성과 기능적 다양성 사이의 상충 관계를 밝혀내는 것을 목표로 한다. 커넥톰이 잘 규명 되어있고 대칭성이 여러 방면으로 연구된 예쁜꼬마선충과 초파리를 모델 시스템으로 사용하고 그래프 이론적 접근 방법을 사용하여 아래와 같은 3가지 분석을 합니다.
1. 중복성 측정에 대한 그래프 이론적 분석: 예쁜꼬마선충 커넥톰의 중복성과 관련된 그래프 이론적 측정값을 조사합니다.
2. 대칭의 정량화 및 기능적 비대칭의 분류: 예쁜꼬마선충 커넥톰 내에서 대칭성을 정량화하고 기능적 비대칭성을 분류하기 위한 겹침성 측정법 활용.
3. 네트워크 전반의 중복성 분석: 초파리 하위 네트워크 커넥톰과 초파리 유충 커넥톰의 중복성 분석.
커넥톰의 중복성 보면 높은 수준의 양측 대칭성을 보여줍니다. 이는 글로벌 정보 흐름에 대한 반대편 보상을 촉진하고 뉴런 쌍 간의 유사한 기능을 촉진합니다. 동시에 네트워크 비대칭성은 완전한 중복성을 방지하여 다양한 기능을 위한 용량을 보존하고 네트워크의 높은 퇴화 메커니즘을 제시하여 신경 배선의 견고성과 다양성을 보장합니다. 하위 시스템 분석에 따르면 인터뉴런 시스템은 높은 양방향 중복성을 보이고, 감각 시스템은 측면화를 나타내며, 운동 시스템은 편향되지 않은 상태를 유지합니다.
더 나아가 우리는 겹침성 분석을 응용하여 예쁜꼬마선충의 남녀 모두에서 기능적으로 비대칭적인 뉴런 ASE와 AWC를 성공적으로 분류했습니다. 우리의 분석은 IL1D 및 AIM과 같은 공통점과 자웅동체(HSN)와 수컷(BAG) 예쁜꼬마선충 사이의 비대칭 뉴런 분류의 차이점을 모두 밝혀냈습니다. 이러한 비대칭 연결의 중요성을 평가하기 위해, 우리는 취약성 분석을 수행하여 분류된 비대칭 뉴런의 잠재적인 생물학적 역할을 조명했습니다.
이 포괄적인 분석은 신경망의 설계 원리에 대한 귀중한 통찰력을 제공하며, 적응성과 기능성을 달성하는 데 있어 대칭과 비대칭 사이의 미묘한 균형을 강조합니다. 또한, 이 연구는 신경 프로세스에서 비대칭의 역할에 대한 더 깊은 이해를 제시하고 이전에 알려지지 않았던 비대칭 기능을 밝혀냈습니다.
