This thesis aims to uncover the functional design principles of nervous systems. To reach this aim, it is useful to examine a complex nervous system that is both well specified and highly tractable, making the nematode roundworm Caenorhabditis elegans an attractive model system, especially since it is the only complete connectome currently available for analysis in the cell level. In this computational study, I assessed the network topological properties of the C. elegans connectomes using graph theoretic approaches with the following three topics:
1. Vulnerability-based critical constituents of the hermaphrodite C. elegans connectome
2. Vulnerability-based critical constituents of the male C. elegans connectome
3. Asymmetry of the hermaphrodite C. elegans connectome
For the vulnerability studies, I tested the effects of individual attacks on every neuron and synaptic connection in the hermaphrodite and the male C. elegans connectomes to identify and characterize the most critical constituents of the network by quantifying the changes in key network properties of the connectomes that influence information processing. My analysis identified 12 neurons and 29 synapses of the hermaphrodite connectome and 9 neurons and 33 synapses of the male connectome that were critical to clustering, information integration and propagation. These critical constituents formed circuit-level structure to control the C. elegans connectomes. Furthermore, the biological functions of the critical constituents were related to dealing with adverse conditions and mating behaviors (hooking and backing during vulva search). My results suggest that the biological functions should be critical factors for negotiating among efficiency, wiring cost, and vulnerability to build the connectome structures. For the asymmetry study, I tested the differences of the neuronal pairs in the hermaphrodite connectome using graph theoretic measures. My results suggest the possibility of the differences in biological functions of neuronal pairs considered as symmetric pairs. We believe our study provides a significant advance in the understanding of the network topology of the C. elegans connectomes, and provides insights into the fundamental architectural design of complex nervous systems and the approaches to understanding their biological functions.
본 박사학위 논문은 신경조직체제를 구성해 나가는 기능적 디자인에 대한 기본적인 원리를 연구하여 밝혀내는 것을 목표로 한다. 이를 위해 모든 구성요소들에 대한 정보가 잘 알려져 있고, 현재까지 세포 단위의 분석이 유일하게 가능하다고 여겨지는 예쁜꼬마선충의 커넥톰 데이터를 분석하였다. 본 계산뇌과학 연구에서는 그래프 이론을 예쁜꼬마선충의 커넥톰에 적용하여 아래와 같은 3가지의 분석을 하였다.
1. 취약성 분석에 기반한 자웅동체 예쁜꼬마선충 커넥톰의 치명적인 구성요소들
2. 취약성 분석에 기반한 수컷 예쁜꼬마선충 커넥톰의 치명적인 구성요소들
3. 자웅동체 예쁜꼬마선충 커넥톰의 비대칭성
취약성의 연구에서는 자웅동체와 수컷 예쁜꼬마선충 커넥톰들을 구성하고 있는 모든 신경세포와 시냅스 연결들을 하나씩 제거하면서 네트워크의 그래프 이론적인 특성들이 어떻게 바뀌는 지를 확인하였다. 그 결과 신호처리과정에서 정보의 수집과 전달에 영향을 미치는 네트워크 특성들에 대하여 12개의 뉴론들과 29개의 시냅스들이 자웅동체 커넥톰에서 치명적으로 판명되었고, 9개의 뉴론들과 33개의 시냅스들이 수컷 커넥톰에서 치명적인 것으로 밝혀졌다. 또한, 치명적으로 밝혀진 구성요소들은 커넥톰에서 회로단위의 구조를 구성함으로 정보를 효율적으로 전달하고 처리하기 위한 컨트롤 센터의 기능을 담당하고 있음을 밝혔다. 그리고 이와 관련된 생물학적인 기능은 불리한 조건들에 대하여 반응하는 기능들과 교배와 관련된 기능들이었다. 이를 통해 생물학적인 기능의 중요성이 커넥톰 구조를 디자인하는데 중요한 기준임을 밝혔다. 이러한 생물학적인 기능의 중요성을 바탕으로 효율, 비용, 그리고 취약성 간의 협상을 통하여 커넥톰의 구조를 구성하는 기능적 디자인에 대한 모델을 제시하였다. 비대칭성 연구에서는 그래프 이론에 기반하여 세포쌍들의 다른 점들을 분석하였고, 그 결과 대칭적이라고 알려진 세포쌍들이 생물학적인 기능들이 다를 수 있음을 이론적으로 제시하였다. 본 논문의 결과들을 통하여 예쁜꼬마선충 케넥톰의 네트워크 위상에 대한 이해와 신경조직체제를 구성하기 위한 기본적인 디자인과 생물학적 기능에 대한 접근 방법의 이해에 있어 의미가 있는 진전을 가져왔다고 믿는다.
