Towards distributed controllers based on caenorhabditis elegans locomotory neural network

Abstract

In the present study, we aim to understand neuronal controlling mechanisms by investigating the locomotory neural circuit of the nematode Caenorhabditis elegans (C. elegans). C.elegans is a transparent 1mm round worm which naturally inhabits in soil. Its stereotypic nervous system consists of only 302 identifiable neurons hard-wired through approximately 5000 chemical synapses and 2000 gap junctions. Because of highly concentrated biological research on its neuronal network, C. elegans is one of the promising models to learn the controlling and learning principles applicable in development of brain-inspired artificial intelligence. We are particularly interested in the part of the locomotory neuronal controller - Tap Withdrawal (TW) neuronal circuit - responsible for the processing of the mechanical tap stimulus. We applied synaptic and neuronal-computer-ablations to measure the impact of reducing neuronal structure on time spent on specific direction of locomotion and membrane potential of neurons. The minimal forward- and backward-responsible circuit have been constructed by adding connections from scratch. The minimal circuits are merged to check the modularity of two behavioral opposite circuits. We have identified crucial chemical and electrical synapses controlling the forward and backward tap withdrawal. We have reduced them to find the minimal number of connections preserving the correct behavioral output. Neuronal ablations emphasize the premier role of the excitatory neurons within the neural circuit. The technique of building the minimal circuits from scratch allowed us to identify functional pathways and cycles responsible for (i) recognizing the start and end of the stimulus, (ii) behavioral concurrency and (iii) structural support for default forward locomotion. By putting two minimal circuits together, we identified overlapping parts of the circuits, crucial for both, anterior and posterior taps. Finally, based on the acquired knowledge, we introduce a new fashion in designing of neuronal controllers by implementing simple stock market decision module. The decision module is composed of two sub-modules: 1. Indicator evaluation module compares the current and historical value of chosen stock market indicator, 2. C. elegans TW circuit mapping the forward and backward commands to BUY or SELL stocks.

In dieser Studie versuchen wir die Neuron-Steuermechanismen zu begreifen in dem, dass wir den Bewegungsnervenkreis der Nematode Caenorhabditis elegans (C. elegans) untersuchen. C. elegans ist ein transparenter 1 mm langer Spulwurm, die üblich im Erdreich vorkommt. Sein stereotypischer Neurosystem besteht aus nur 302 identifizierten Neuronen, die miteinander durch circa 5000 chemischen Synapsen und 2000 elektrischen Synapsen verbunden sind. Hinsichtlich der hochkonzentrierter biologischen Untersuchung seines Neuron-Netzes ist C.elegans einer der vielversprechenden Modelle für die Auffassung der Steuerungsprinzipien und Neuron-Netz-Lehre, die bei der Entwicklung der gehirninspizierten künstlichen Intelligenz anwendbar sind. Uns interessiert vor allem der Teil des Bewegungsneurokontrollers - Tap Withdrawal (TW) Neuron-Kreis - der für die Anreizverarbeitung der mechanischen Berührung verantwortlich ist. Mit Hilfe der synaptischen und Neuron-Ablösungen haben wir die Auswirkung der Strukturreduzierung des Neuron-Netzes auf die Bewegungszeit der C.elegans vorwärts und rückwärts gemessen. Die Minimal-Neuron-Kreise für die Bewegungssteuerung vorwärts und rückwärts wurden mit Hilfe der allmählichen Zugabe der Synapsen von Null auf konstruiert. Folglich wurden diese Minimalkreise miteinander, wegen der Modularitätsanalyse der beiden gegensätzlich sich benehmenden Kreise, integriert. Wir haben die chemischen und elektrischen Synapsen, die für die 'tap withdrawal'-Reflex-Steuerung vorwärts und rückwärts schlaggebend sind, identifiziert. Wir experimentierten mit einer Minimalzahl von Synapsen, bei der der geforderte Verhaltensausgang erhalten wurde. Die Neuron-Ablösungen haben die wichtige Aufgabe der Anregungsneuronen in Neurokreis hervorgehoben. Die Aufbautechnik der Minimalkreise von Null hat uns ermöglicht die Funktionswege und Zyklen, die für (i) Erkennung des Anfangs und Ende des Berührungsanreizes, (ii) konkurrierende Verhaltungsprozesse und (iii) strukturelle Unterstützung der Ausgangsbewegung vorwärts zu identifizieren. Mittels der Verbindung von Minimalkreisen haben wir die überlappenden Kreisteile, die grundlegend für beide Bewegungsrichtungen sind, identifiziert. Zum Schluss bemühen wir uns, auf Grund der erworbenen Kenntnisse, einen neuen Weg bei der Projektierung der Neuron-Kontroller, mittels der Vorführung eines einfachen Entscheidungsbausteins für den Investor auf der Aktienbörse, vorzustellen. Der Entscheidungsbaustein besteht aus zwei Teilbausteinen: 1. Vergleichsbaustein für den Vergleich eines aktuellen und historischen Wertes des gewählten Indikators der Aktienbörse, 2. C. ix elegans TW-Modul für Bewegungsabbildung der Vorwärts- und Rückwärtsbewegung auf die Anweisungen des Aktienkaufes oder Aktienverkaufes.