C. elegans are nematodes that exist in two sexes: hermaphrodite and male. Although these two sexes share a lot of structurally similar neurons, their nervous system is strongly sexualized and functionality differs at multiple levels. For decades, hermaphrodite c. elegans has been the only organism with a complete cellular level connectome. Recently, a complete neural wiring has been constructed for male c. elegans as well. Network analysis of an organism’s neural wiring reveals the role of connection topology in the nervous system’s structure and function. In this work, we analyzed connectomes of the two sexes of c. elegans using graph theoretical tools and community detection methods to understand network level differences in their nervous system. Both networks are small-world and display heavy tailed degree distributions. However, the hermaphrodite neurons tend to have more diverse connections than male, whereas the male neurons form stronger connections with each other. In addition, the hermaphrodite connectome is disassortative while the male connectome shows positive assortativity. Clustering coefficient analysis reveals that the hermaphrodite connectome shows hierarchical organization while the male connectome does not. Both connectomes show rich club organization, however neurons that form the rich clubs are not the same for the two sexes. Both connectomes show modular structure with sex-specific neurons interacting with sex-shared neurons in separate communities. We also tested and found sex-shared, but quantitatively dimorphic neurons using various nodal features.
예쁜꼬마선충은 선충류로서 자웅동체와 수컷의 두 성별을 가지고 있다. 비록 두 성별이 신경 구조상으로 비슷하지만, 이들의 신경 시스템의 구조와 기능은 성별에 따라 많은 단계에서 차이를 보인다. 수십 년간 자웅동체 예쁜꼬마선충은 세포 수준에서 커넥톰이 완벽히 밝혀진 유일한 생명체였으나 최근 수컷 예쁜꼬마선충의 신경 연결구조가 밝혀졌다. 뉴런의 연결을 네트워크 분석으로 연구하면 뉴런의 연결의 위상학적 기능을 밝혀낼 수 있다. 이번 연구에서 우리는 그래프 이론 분석 툴과 커뮤니티 인식기법을 예쁜꼬마선충의 두 성별에 적용하여 그들의 신경 시스템의 네트워크 수준에서의 차이를 확인하였다. 그 결과 자웅동체의 뉴런은 수컷에 비해 다양한 연결을 가지고 있었고, 수컷은 뉴런들이 서로가 더 강하게 연결되어 있는 구조를 보였다. 추가적으로 자웅동체의 커넥톰은 이형적인특성을 보인 것에 비해 수컷은 동형적인특성을 보였다. 군집 유사도 분석을 통해 자웅동체의 커넥톰은 계측정인 구조를 가지고 있으나 수컷의 커넥톰은 그렇지 않다는 것을 밝혀냈다. 또한 두 성별 모두 많은 클럽조직을 보여주었지만, 많은 클럽들이 각 성별에서 동일하지 않음이 밝혀졌다. 마지막으로 우리는 양쪽 성 모두에게서 발견되지만 양적으로 동종이형의 다양한 마디 구조 특성을 발견하였다.
