JP2004089027A - Method for analyzing behavior of animal, system for analyzing behavior of animal, program for analyzing behavior of animal, and recording medium recording the program and readable with computer - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To carry out a precise quantitative behavioral analysis so as to meet even requests of genetic studies. <P>SOLUTION: A system 1 for analyzing behaviors is equipped with a charge-coupled device (CCD) camera 3 picking up images of zebrafish F in an aquarium 2 at ≥8 frames/s frame rate and a usual measuring part 14A obtaining observed data from the images. A part 14B for evaluating chasing behaviors evaluates the mutual chasing behaviors of the zebrafishes F based on the positions and speeds which are the observed data of the zebrafishes F. The fractal dimension of swimming loci is computed on the basis of swimming loci which are observed data of the zebrafishes F with a fractal dimension computing part 14C. Thereby, the behavioral analysis of the zebrafish having a high swimming speed though optimal as an experimental animal for the genetic studies can quantitatively and precisely be carried out. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動物の行動解析方法および動物の行動解析システムに関し、さらに詳しくは、動物の行動を定量的に解析する動物の行動解析方法、動物の行動解析システム、動物の行動解析プログラムならびにそれを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
最近の遺伝子研究の発展はめざましく、研究対象も線虫、ショウジョウバエ、酵母等の下等な生物から、マウス、魚、ヒト等の高等な動物へと変遷してきた。また、遺伝子研究は、全ゲノムの解析が終了したポストゲノムには、ゲノムのコードするタンパク質(protein)の機能を解析するプロテオミクスの時代に入り、さらに、表現型(phenotype)を解析するフェノミクスの時代ヘと移ることが予想される。
【0003】
ここで、魚の研究対象としては、ゼブラフィッシュが、その発生生物学上極めて有利な特長から、遺伝子改変や遺伝子ノックアウトに最適な動物種であることがひろく認識され、近年ゲノム解析が最も進んだ動物の1つとなっている。
【0004】
具体的には、ゼブラフィッシュは、体長5〜6cmの小型の熱帯魚であり、他の魚と異なり、▲1▼一年中いつでも産卵するため、卵が通年にわたり手に入る、▲2▼幼魚期体が透明であるため、遺伝子発現をGFP(緑色蛍光タンパク)のような蛍光タンパクで外から追跡、観察することが可能である、という特長を有している。
【0005】
そして、ゼブラフィッシュの遺伝子研究は全ゲノムの解析が間近であり、今後発生生物学をはじめとして、表現型としての魚の行動解析、すなわち遺伝子改変や遺伝子ノックアウトを施した魚の行動解析の需要は計り知れない。
【0006】
しかし、ラットやマウス等の小動物用の行動解析装置はよく医学研究に使われ、市販もされているが、魚用のものはほとんどないのが現状である。
【0007】
なお、発明者らは、Kato,S.,Tamada,K.,Shimada,Y. and Chujo,T., A quantification of goldfish behavior by an image processing system, Behavioural Brain Research, 80 (1996)51−55.において、水槽中の金魚を撮影し、金魚の位置分布および進行方向を解析する金魚の行動解析のための画像処理システムを提案した。発明者らは、この画像処理システムを用いて、金魚の行動解析、特に視神経切断後の異常行動の定量的解析を行ってきた。
【0008】
また、公開特許公報「特開平7−63747号(公開日:平成7年(1995)3月10日)」には、水槽内の魚群の活動状況および生存状況の識別することにより、水質の異常を検出する「水質検査装置」が記載されている。この水質検査装置は、水槽内に放された魚群の画像をITVカメラによって撮影し、画像入力部によってサンプリング処理および2値化処理を実行する。2値化に係るしきい値の設定によって、外乱やノイズの影響を排除することができる。画像処理部は、2値化された画像データから魚群を構成する個々の魚の画像を抽出し、個々の画像にラベルを付与するとともに、その単位時間当たり移動量に基づき魚群の活動状況および生存状況の識別を実行する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、ゼブラフィッシュの行動の定量的解析が必要かつ緊急を要するものであるにもかかわらず、適当な行動解析方法や行動解析システムが存在しなかった。すなわち、金魚用の行動解析システムや水質検査装置では、ゼブラフィッシュが高速で複雑な3次元の行動をするために、遺伝子研究の要求にも応えることができる程度に精密な定量的行動解析が不可能であった。
【0010】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、遺伝子研究の要求にも応えることができる程度に精密な定量的行動解析が可能な動物の行動解析方法および動物の行動解析システムを提供することにある。また、本発明の目的には、上記動物の行動解析システムを実現する動物の行動解析プログラム、およびこれを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を提供することも含まれる。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の動物の行動解析方法は、水槽中の水棲動物を8枚/秒以上のフレームレートで撮像する撮像ステップと、上記撮像ステップにおいて撮像した画像に基づき、水棲動物の行動解析を行う解析ステップと、を含むことを特徴としている。
【0012】
さらに、本発明の動物の行動解析方法は、上記水棲動物がゼブラフィッシュであることを特徴としている。
【0013】
また、本発明の動物の行動解析システムは、水槽中の水棲動物を撮像した画像に基づき、当該水棲動物の行動解析を行う動物の行動解析システムであって、上記画像を8枚/秒以上のフレームレートで撮像する撮像手段を具備することを特徴としている。
【0014】
上記の方法および構成により、行動解析の基礎となる画像を8枚/秒以上のフレームレートで撮像することにより、高速で複雑な行動をする水棲動物の行動解析が可能となる。
【0015】
従来の技術において説明したように、ゼブラフィッシュは、その発生生物学上極めて有利な特長を有しており、表現型としての行動解析、すなわち遺伝子改変や遺伝子ノックアウトを施したゼブラフィッシュの行動を定量的に解析する技術の確立が強く求められている。
【0016】
そこで、上記の方法および構成によれば、高速で複雑な3次元の行動をするゼブラフィッシュ等の水棲動物であっても、その行動を確実に撮像することができるため、行動解析が可能となる。それゆえ、ゼブラフィッシュの行動を、遺伝子研究の要求にも応えることができる程度に精密に定量的に行動解析することが可能となる。
【0017】
また、本発明の動物の行動解析方法は、第1の動物と第2の動物の位置および速度を取得する観測データ取得ステップと、上記観測データ取得ステップにおいて取得した第1の動物と第2の動物の位置および速度に基づいて、第1の動物の第2の動物に対する追尾行動を評価する追尾行動評価ステップと、を含むことを特徴としている。
【0018】
また、本発明の動物の行動解析システムは、第1の動物と第2の動物の位置および速度を取得する観測データ取得手段と、上記観測データ取得手段によって取得された第1の動物と第2の動物の位置および速度に基づいて、第1の動物の第2の動物に対する追尾行動を評価する追尾行動評価手段と、を具備することを特徴としている。
【0019】
上記の方法および構成により、動物の追尾行動を位置および速度に基づいて定量的に評価できる。なお、第1の動物と第2の動物とは、同種であっても異種であってもよい。また、第1の動物および第2の動物は、ゼブラフィッシュ等の水棲動物であっても、ショウジョウバエやマウス等の陸棲動物であってもよい。
【0020】
ここで、追尾行動の具体的な評価方法としては、例えば、第1の動物と第2の動物との距離の条件(個体間距離条件)、第1の動物の進行方向と第2の動物の位置との角度の条件(角度条件)、第1の動物が近づこうとし、第2の動物が離れようとしているか否かの条件(接近条件)の3条件が全て同時に成立しているとき、第1の動物が第2の動物を追尾していると判定できる。そして、追尾行動の評価指標として、
追尾時間率=追尾していた時間/観測時間
追尾距離率=追尾しながらの移動距離/総移動距離
などを用いることができる。
【0021】
また、本発明の動物の行動解析方法は、動物の移動軌跡を取得する観測データ取得ステップと、上記観測データ取得ステップにおいて取得した移動軌跡のフラクタル次元を算出するフラクタル次元算出ステップと、を含むことを特徴としている。
【0022】
また、本発明の動物の行動解析システムは、動物の移動軌跡を取得する観測データ取得手段と、上記観測データ取得手段によって取得された移動軌跡のフラクタル次元を算出するフラクタル次元算出手段と、を具備することを特徴としている。
【0023】
上記の方法および構成により、動物の移動軌跡の複雑さを定量的に評価できる。動物は、ゼブラフィッシュ等の水棲動物であっても、ショウジョウバエやマウス等の陸棲動物であってもよい。
【0024】
また、本発明の動物の行動解析プログラムは、コンピュータを上記の各手段として機能させるコンピュータ・プログラムである。
【0025】
上記の構成により、コンピュータで上記動物の行動解析システムの各手段を実現することによって、上記動物の行動解析システムを実現することができる。したがって、上記した動物の行動解析システムとして、動物の行動を、遺伝子研究の要求にも応えることができる程度に精密に定量的に行動解析することが可能となる。
【0026】
また、本発明の動物の行動解析プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、上記の各手段をコンピュータに実現させて、上記動物の行動解析システムを動作させる動物の行動解析プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。
【0027】
上記の構成により、上記記録媒体から読み出された動物の行動解析プログラムによって、上記動物の行動解析システムをコンピュータ上に実現することができる。
【0028】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態について図1から図9に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、本実施の形態では、一例としてゼブラフィッシュの行動解析、特に視神経切断(視覚遮断)による影響を定量評価する場合について説明する。
【0029】
図1に示すように、本実施の形態に係る行動解析システム1は、水中にゼブラフィッシュFを含む水槽2、2台のCCDカメラ3・3、2台のモニタ4・4、ビデオミキサ5、画像処理装置10を備えて構成されている。行動解析システム1は、水槽2中のゼブラフィッシュFを撮像した画像に基づき、ゼブラフィッシュFの行動解析を行うものである。
【0030】
水槽2は観測空間である。水槽2の形状は、例えば、縦24cm、横37cm、高さ29cmである。水槽2中には、1または複数のゼブラフィッシュFが自由に遊泳している。水槽2は、CCDカメラ3に反射や逆光の起こらないように水槽2の斜め上方に設置された4個のレフランプ(各150W)(図示せず)によって照明されている。
【0031】
CCDカメラ3・3は、水槽2の上方および側方約1.5mの位置に設置され、水槽2の全体を上方向と横方向との2方向から撮影できるように設定されている。また、CCDカメラ3・3は、ゼブラフィッシュFが小型でしかも遊泳速度が70mm/秒と速いため、シャッタースピードが1/60秒、フレームレートが10フレーム/秒、解像度(画素)が上方向、横方向それぞれ256(縦)×128(横)で撮影できる。撮影は、例えば30分間連続して行う。色調はフルカラーである。また、映像信号の伝送コネクタにはコンポジットビデオ端子を使用する。
【0032】
このように、実験動物がゼブラフィッシュである場合、CCDカメラ3のフレームレートは8フレーム/秒以上が好ましく、10フレーム/秒がより好ましい。なお、金魚の場合には、4フレーム/秒で十分であった。
【0033】
モニタ4は、CCDカメラ3からの画像を表示するための、コンポジットビデオ入力端子を備えたディスプレイモニタである。モニタ4により、CCDカメラ3で撮影中の画像をリアルタイムで確認できる。
【0034】
ビデオミキサ5は、2台のCCDカメラ3・3でそれぞれ撮影された2枚の画像を上下2分割の1枚の画像に合成して、画像入力ボード11(後述)ヘ出力する。
【0035】
画像処理装置10は、CCDカメラ3で撮影された画像を取り込み、リアルタイムで2値化してデータ格納部13に記録し、観測終了後に2値化画像に基づき解析を行う。そのために、画像処理装置10は、画像入力ボード11、2値化処理部12、データ格納部13、解析処理部14を備えている。
【0036】
画像入力ボード11は、画像処理装置10のインターフェイスであり、フルカラー画像入力ボードである。本実施の形態では、画像の有効範囲を512×512画素とし、フレームモードで使用する。また、画像入力ボード11は、入力画像をコンポジットビデオ端子(スルーアウト)から外部モニタ(図示せず)ヘの出力できる。
【0037】
2値化処理部12は、画像入力ボード11より取り込んだ画像を画素ごとにしきい値と比較することにより2値化した2値化画像をデータ格納部13に記録する。
【0038】
データ格納部13は、ハードディスク等の記憶装置であり、2値化処理部12で生成された2値化画像や、解析処理部14での演算結果を格納する。
【0039】
解析処理部14は、データ格納部13に格納された2値化画像に基づき、ゼブラフィッシュFを認識するとともに、遊泳軌跡等の一般計測や、追尾行動評価と遊泳軌跡のフラクタル次元算出の特殊計測を行う。そのため、解析処理部14は、一般計測部14A、追尾行動評価部14B、フラクタル次元算出部14Cを備えている。なお、一般計測および特殊計測の各解析結果は、データ格納部13に格納したり、図示しないモニタやプリンタ等に出力できる。
【0040】
一般計測部14Aは、2値化処理部12で生成された2値化画像に基づき、ゼブラフィッシュFの観測データ(位置、速度、遊泳軌跡等)を決定する。具体的には、一般計測部14Aは、まず、データ格納部13から2値化画像を読み出し、背景との色の差分からゼブラフィッシュFを認識する。次に、ゼブラフィッシュFの領域の重心座標を求める。つづいて、この重心座標データを基に、位置座標、遊泳軌跡(2次元、3次元)、位置分布、移動速度、移動距離、体軸の傾き、左右の回転(右回転、左回転、直進等)などを求める。なお、一般計測部14Aは、速やかな画像の分離や見かけ上の重なりを防ぐため、ラベルング処理やオクルージョンの分離処理等の画像処理を行う。これにより、複数の魚に対応できる。
【0041】
さらに、ゼブラフィッシュのように高速で複雑に遊泳する魚を撮影する場合には、フレームレートおよび解像度を上げるため、まず例えば1/4の解像度で2値化を行い、魚であると判定された領域の周りだけを本来の解像度で2値化してもよい。これにより、処理数を大幅に少なくでき、好ましいフレームレート、解像度が得られる。
【0042】
追尾行動評価部14Bは、一般計測部14Aによって決定された観測データである位置および速度をデータ格納部13から読み出し、注目している個体による他の個体への追尾行動を評価する。
【0043】
フラクタル次元算出部14Cは、一般計測部14Aによって決定された観測データである遊泳軌跡をデータ格納部13から読み出し、その遊泳軌跡のフラクタル次元を算出する
なお、追尾行動評価部14Bおよびフラクタル次元算出部14Cについては、後に詳細に説明する。
【0044】
以上より、行動解析システム1は、まず、ゼブラフィッシュFを水槽2中に自由に遊泳させ、水槽2の上方向および側方向の2方向からCCDカメラ3・3で所定時間連続して撮影した画像を画像処理装置10に取り込み、2値化してデータ格納部13に格納する。所定時間の観測後、解析処理部14において、2値化画像からゼブラフィッシュFを認識し、一般計測および特殊計測の各種の解析を行う。
【0045】
つづいて、特殊計測である追尾行動評価および遊泳軌跡のフラクタル次元算出について詳細に説明する。
【0046】
(1)追尾行動評価
図2から図6を参照しながら、追尾行動評価部14Bによる追尾行動評価について説明する。
【0047】
ゼブラフィッシュ等の魚は、2尾以上が群れをなし、あたかも前の魚を後の魚が追いかけるように泳ぐ習性がある。追尾行動評価部14Bは、3つの条件、(i)個体間距離条件、(ii)角度条件、(iii)接近条件、をそれぞれ判定し、全てが同時に成立しているときに追尾行動が成立していると判定する。そして、追尾行動評価部14Bは、追尾行動を時間、距離でそれぞれ追尾率として評価する。
【0048】
(i)個体間距離条件
2匹の間隔Lが離れすぎているときは、追尾とみなさない。さらに、水槽2の上から見て近すぎる場合は、重なっている、つまり、深さの異なる位置を泳いでいると判断できるので、追尾は行われていないと判定する。本実施の形態では、個体間距離条件として、経験的に、
1cm<L<10cm
と設定した。しかし、図2のように、並列に泳ぐときもあるので次の条件を判定する。
【0049】
(ii)角度条件
追尾状態においては、追いかけている魚の前方には必ず追いかけられている魚がいるはずである。したがって、図3(a)のように、追いかけている魚の進行方向からある角度θ以内に追いかけられている魚がいることを条件とする。本実施の形態では、角度条件として、経験的に、
θ=50°
と設定した。しかし、図3(b)のように、お互い向き合って泳ぐときもあるので次の条件を判定する。
【0050】
(iii)接近条件
追尾状態においては、追いかける魚は近づこうとし、追いかけられる魚は離れようとする。したがって、図4(a)のように、L,L1,L2を定めたとき、接近条件は、
L>L1 かつ L<L2
となる。なお、図4(b)は、追尾と判定されないとき(L>L1かつL>L2)の例である。
【0051】
そして、追尾行動評価部14Bは、上記3条件の全てが同時に成立しているとき、追尾行動の評価指標として、
追尾時間率=追尾していた時間/観測時間
追尾距離率=追尾しながらの移動距離/総移動距離
を算出する。
【0052】
よって、追尾行動評価部14Bで算出した追尾時間率や追尾距離率により、視覚機能回復を、金魚やゼブラフィッシュの行動解析から客観的に評価することが可能である。
【0053】
図5に、ゼブラフィッシュの追尾行動を追尾時間率を用いて解析した結果を示す。左側が正常なゼブラフィッシュの追尾率(対照実験)、右側が両側視神経切断1日目のゼブラフィッシュの追尾率である。正常なものは約30%、切断されたものは約8%となり、盲目になると追尾が著しく困難になることがわかる。
【0054】
また、魚の視神経は哺乳類と異なり切断しても再生する。そこで、本当に魚が視覚機能を回復したかを評価することはきわめて重要である。
【0055】
図6に、ゼブラフィッシュの視覚機能回復を追尾時間率および追尾距離率を用いて観察した結果を示す。図6に示すように、視神経を片側ないし両側切断した時の魚の行動観察の結果、視神経の再生は速い回復と遅い回復の2相があることがわかる。
【0056】
すなわち、▲1▼1側を切断した時、魚の上下軸が正常視神経側に傾き、また正常視神経側によく回転する。この傾きや回転の回復は、金魚では約1ヵ月、ゼブラフィッシュでは約2週間で完了した。この回復は、一般計測部14Aにより、傾きと回転方向を解析することによって確認できた。
【0057】
また、▲2▼視神経を両側切断すると、追尾行動が大きく乱れる。この追尾行動の回復は、金魚では4〜5ヵ月、ゼブラフィッシュでは2〜3ヵ月で完了した。この回復は、追尾行動評価部14Bにより、追尾行動を解析することによって確認できた。
【0058】
このように、行動解析システム1によれば、視覚機能回復を、魚の行動解析から客観的に評価することができることを発明者は確認した。
【0059】
なお、図6の1日および1週の追尾時間率および追尾距離率の値(約8%)は、水槽2にゼブラフィッシュFを1尾だけ入れて撮影した異なる2つの画像を重ね合わせた画像から算出した追尾時間率および追尾距離率に等しいことが確認されている。よって、この約8%は、2尾のゼブラフィッシュが追尾の判定条件を満たす位置関係に偶然なったものとして無視できる。
【0060】
(2)遊泳軌跡のフラクタル次元
図7から図9を参照しながら、フラクタル次元算出部14Cによる魚の遊泳軌跡の複雑さの評価を説明する。なお、本実施の形態において、フラクタル次元とは、曲線の複雑さを表すパラメータである。
【0061】
図7に示すように、曲線を長さεのものさしを使って近似したときに必要としたものさしの数をN(ε)とすると、フラクタル次元Dは次の関係式、
N(ε)=k・ε1−D
で定義される。この式の両辺の対数をとると、
logN(ε)=−D・logε+k′
となる。ただし、k,k′は定数である。
【0062】
ここで、上記の数式は、曲線にフラクタル性がある場合、N(ε)とεを対数グラフにプロットしたときに、ある範囲で直線状に並ぶことを意味している。よって、図8に示すように、最小2乗法を用いてグラフ上の点の回帰直線を求め、その傾きを調べることでフラクタル次元Dを求めることができる。
【0063】
図9に、ゼブラフィッシュの遊泳軌跡をフラクタル次元を用いて解析した結果を示す。左側が正常なゼブラフィッシュのフラクタル次元(対照実験)、右側が両側視神経切断1日目のゼブラフィッシュのフラクタル次元である。フラクタル次元の値が大きいほど遊泳軌跡が複雑であるので、結果より盲目になると遊泳軌跡が単純になることがわかる。
【0064】
以上のように、行動解析システム1は、水槽2中のゼブラフィッシュFの画像を8枚/秒以上のフレームレートで撮像するCCDカメラ3と、画像から観測データを取得する一般計測部14Aとを備える。そして、追尾行動評価部14Bが、ゼブラフィッシュFの観測データである位置および速度に基づいて、ゼブラフィッシュF同士の追尾行動を評価する。また、フラクタル次元算出部14Cが、ゼブラフィッシュFの観測データである遊泳軌跡に基づいて、遊泳軌跡のフラクタル次元を算出する。
【0065】
これにより、遺伝子研究の実験動物として最適であるが、高速で複雑に遊泳するゼブラフィッシュの行動解析を、定量的かつ精密に行うことが可能となる。そして、ゼブラフィッシュの複雑な行動をリアルタイムで取得し、定量的に解析できる。また、ふ化直後から成魚に到るまでゼブラフィッシュの行動を簡単に計測できる。
【0066】
なお、本実施の形態は本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の範囲内で種々の変更が可能であり、例えば、以下のように構成することができる。
【0067】
追尾行動評価のためには、動物の位置および速度が観測データとして利用できればよく、また、フラクタル次元の算出のためには、移動軌跡が観測データとして利用できればよい。よって、これらの観測データを、画像から生成するのではなく、例えば動物に装着した発信機を用いた位置検出等によって取得してもよい。
【0068】
また、水槽2に給餌装置を設け、この給餌装置と、CCDカメラ3、ビデオミキサ5、画像処理装置10(画像入力ボード11、2値化処理部12、データ格納部13)をタイマで制御することにより、図6に示したような長期間の観察を自動的に行うことができる。
【0069】
上記行動解析システム1によれば、魚等の行動解析の定量化を実現できる。よって、行動解析システム1は、動物の行動解析の定量化を利用する分野において様々に利用できる。例えば、上述したように、視神経切断(視覚遮断)後の異常行動の定量的解析が可能である。すなわち、神経損傷・再生等の評価に利用できる。また、遺伝子改変や突然変異体の表現型異常のスクリーニングに利用できる。また、遺伝子改変魚やノックアウト魚と野性魚との比較により、遺伝子と表現型(行動)との相関を分析できる。さらに、薬効(特に神経作用薬等)の影響や持続時間の評価に利用できる。
【0070】
また、行動解析システム1は、外的要因(水質、環境ホルモン)のスクリーニングに利用できる。よって、魚の遊泳環境(溶存酸素、環境変異原、水温、毒物等)をモニターリングすることが可能となる。
【0071】
また、行動解析システム1は、天然魚と人工飼育魚との比較や、魚の群れ行動の分析に利用できるため、漁獲法や養殖法など漁業の技術に応用できる。
【0072】
さらに、行動解析システム1は、ゼブラフィッシュ等の水棲動物はもとより、ショウジョウバエやマウス等の陸棲動物の3次元的行動観察にも応用可能である。また、水槽の壁面に色や模様をつけて魚の行動の変化を観察するなど、動物の行動心理学等への応用も可能である。
【0073】
最後に、上記画像処理装置10は、ワークステーションやパーソナルコンピュータ等の汎用のコンピュータをベースに構成できる。すなわち、上記画像処理装置10は、その機能を実現するプログラムの命令を実行するCPU(central processing unit )、ブートロジックを格納したROM(read only memory)、上記プログラムを展開するRAM(random access memory)、上記プログラムおよび各種データベースを格納するハードディスク等の記憶装置(記録媒体)、キーボードやマウス等の入力機器、モニタ、スピーカー、プリンタ等の出力機器が内部バスによって接続されて構成されている。
【0074】
また、本発明の目的は、上述した機能を実現するソフトウエアである動物の行動解析プログラムのプログラムコード(実行形式プログラム、中間コードプログラム、ソースプログラム)をコンピュータで読み取り可能に記録した記録媒体を、システムあるいは装置に供給し、そのシステムあるいは装置のコンピュータ(またはCPUやMPU、DSP)が記録媒体に記録されているプログラムコードを読み出し実行することによっても、達成可能である。この場合、記録媒体から読み出されたプログラムコード自体が上述した機能を実現することになり、そのプログラムコードを記録した記録媒体は本発明を構成することになる。
【0075】
具体的には、上記画像処理装置が備える2値化処理部12、解析処理部14は、画像処理装置10のメモリ(図示せず)に格納された所定のプログラムを、マイクロプロセッサなどが実行することにより実現される。
【0076】
上記プログラムコードを供給するための記録媒体は、システムあるいは装置と分離可能に構成することができる。また、上記記録媒体は、プログラムコードを供給可能であるように固定的に担持する媒体であってもよい。そして、上記記録媒体は、記録したプログラムコードをコンピュータが直接読み取ることができるようにシステムあるいは装置に装着されるものであっても、外部記憶装置としてシステムあるいは装置に接続されたプログラム読み取り装置を介して読み取ることができるように装着されるものであってもよい。
【0077】
例えば、上記記録媒体としては、磁気テープやカセットテープ等のテープ系、フロッピー(登録商標)ディスク/ハードディスク等の磁気ディスクやCD−ROM/MO/MD/DVD/CD−R等の光ディスクを含むディスク系、ICカード(メモリカードを含む)/光カード等のカード系、あるいはマスクROM/EPROM/EEPROM/フラッシュROM等の半導体メモリ系などを用いることができる。
【0078】
また、上記プログラムコードは、コンピュータが記録媒体から読み出して直接実行できるように記録されていてもよいし、記録媒体から主記憶のプログラム記憶領域へ転送された後コンピュータが主記憶から読み出して実行できるように記録されていてもよい。
【0079】
さらに、システムあるいは装置を通信ネットワークと接続可能に構成し、上記プログラムコードを通信ネットワークを介して供給してもよい。そして、通信ネットワークとしては、特に限定されず、具体的には、インターネット、イントラネット、エキストラネット、LAN、ISDN、VAN、CATV通信網、仮想専用網(virtual private network)、電話回線網、移動体通信網、衛星通信網等が適用可能である。また、通信ネットワークを構成する伝送媒体としては、特に限定されず、具体的には、IEEE1394、USB、電力線搬送、ケーブルTV回線、電話線、ADSL回線等の有線でも、IrDAやリモコンのような赤外線、Bluetooth、802.11無線、HDR、携帯電話網、衛星回線、地上波デジタル網等の無線でも適用可能である。
【0080】
なお、プログラムコードを記録媒体から読み出して主記憶に格納するためのプログラム、および、通信ネットワークからプログラムコードをダウンロードするためのプログラムは、コンピュータによって実行可能にあらかじめシステムあるいは装置に格納されているものとする。
【0081】
上述した機能は、コンピュータが読み出した上記プログラムコードを実行することによって実現されるだけでなく、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼働しているOSなどが実際の処理の一部または全部を行うことによっても実現される。
【0082】
さらに、上述した機能は、上記記録媒体から読み出された上記プログラムコードが、コンピュータに装着された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書込まれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるCPUなどが実際の処理の一部または全部を行うことによっても実現される。
【0083】
【発明の効果】
以上のように、本発明の動物の行動解析方法は、水槽中の水棲動物を8枚/秒以上のフレームレートで撮像する撮像ステップと、上記撮像ステップにおいて撮像した画像に基づき、水棲動物の行動解析を行う解析ステップと、を含む方法である。
【0084】
さらに、本発明の動物の行動解析方法は、上記水棲動物がゼブラフィッシュである。
【0085】
また、本発明の動物の行動解析システムは、水槽中の水棲動物を撮像した画像に基づき、当該水棲動物の行動解析を行う動物の行動解析システムであって、上記画像を8枚/秒以上のフレームレートで撮像する撮像手段を具備する構成である。
【0086】
それゆえ、高速で複雑な3次元の行動をするゼブラフィッシュ等の水棲動物であっても、その行動を確実に撮像することができるため、行動解析が可能となるという効果を奏する。したがって、ゼブラフィッシュの行動を、遺伝子研究の要求にも応えることができる程度に精密に定量的に行動解析することが可能となるという効果を奏する。
【0087】
また、本発明の動物の行動解析方法は、第1の動物と第2の動物の位置および速度を取得する観測データ取得ステップと、上記観測データ取得ステップにおいて取得した第1の動物と第2の動物の位置および速度に基づいて、第1の動物の第2の動物に対する追尾行動を評価する追尾行動評価ステップと、を含む方法である。
【0088】
また、本発明の動物の行動解析システムは、第1の動物と第2の動物の位置および速度を取得する観測データ取得手段と、上記観測データ取得手段によって取得された第1の動物と第2の動物の位置および速度に基づいて、第1の動物の第2の動物に対する追尾行動を評価する追尾行動評価手段と、を具備する構成である。
【0089】
それゆえ、動物の追尾行動を位置および速度に基づいて定量的に評価できるという効果を奏する。
【0090】
また、本発明の動物の行動解析方法は、動物の移動軌跡を取得する観測データ取得ステップと、上記観測データ取得ステップにおいて取得した移動軌跡のフラクタル次元を算出するフラクタル次元算出ステップと、を含む方法である。
【0091】
また、本発明の動物の行動解析システムは、動物の移動軌跡を取得する観測データ取得手段と、上記観測データ取得手段によって取得された移動軌跡のフラクタル次元を算出するフラクタル次元算出手段と、を具備する構成である。
【0092】
それゆえ、動物の移動軌跡の複雑さを定量的に評価できるという効果を奏する。
【0093】
また、本発明の動物の行動解析プログラムは、コンピュータを上記の各手段として機能させるコンピュータ・プログラムである。
【0094】
それゆえ、上記動物の行動解析システムを実現して、動物の行動を、遺伝子研究の要求にも応えることができる程度に精密に定量的に行動解析することが可能となるという効果を奏する。
【0095】
また、本発明の動物の行動解析プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、上記の各手段をコンピュータに実現させて、上記動物の行動解析システムを動作させる動物の行動解析プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。
【0096】
それゆえ、上記記録媒体から読み出された動物の行動解析プログラムによって、上記動物の行動解析システムをコンピュータ上に実現することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態に係る行動解析システムの構成の概略を示す説明図である。
【図2】図1に示した行動解析システムの追尾行動評価部で判定する個体間距離条件を説明する図である。
【図3】図1に示した行動解析システムの追尾行動評価部で判定する角度条件を説明する図であり、(a)は角度条件を満たす場合、(b)は角度条件を満たすが接近条件を満たさない場合をそれぞれ示す。
【図4】図1に示した行動解析システムの追尾行動評価部で判定する接近条件を説明する図であり、(a)は接近条件を満たす場合、(b)は接近条件を満たさない場合をそれぞれ示す。
【図5】図1に示した行動解析システムの追尾行動評価部で算出した追尾時間率を用いて、視神経切断による影響を定量評価するために、ゼブラフィッシュの追尾行動を解析した例を示すグラフである。
【図6】図1に示した行動解析システムの追尾行動評価部で算出した追尾時間率および追尾距離率を用いて、ゼブラフィッシュの視覚機能回復を観察した結果を示すグラフである。
【図7】図1に示した行動解析システムのフラクタル次元算出部における魚の遊泳軌跡のフラクタル次元の算出方法を説明する図である。
【図8】図1に示した行動解析システムのフラクタル次元算出部における魚の遊泳軌跡のフラクタル次元の算出方法を説明する図である。
【図9】図1に示した行動解析システムのフラクタル次元算出部で算出したフラクタル次元を用いて、視神経切断による影響を定量評価するために、ゼブラフィッシュの遊泳軌跡を解析した例を示すグラフである。
【符号の説明】
1  行動解析システム
2  水槽
3  CCDカメラ(撮像手段)
12  2値化処理部(観測データ取得手段)
14A 一般計測部(観測データ取得手段)
14B 追尾行動評価部(追尾行動評価手段)
14C フラクタル次元算出部(フラクタル次元算出手段)
F  ゼブラフィッシュ(水棲動物)
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an animal behavior analysis method and an animal behavior analysis system, and more particularly, to an animal behavior analysis method for quantitatively analyzing the behavior of an animal, an animal behavior analysis system, an animal behavior analysis program, and The present invention relates to a recorded computer-readable recording medium.
[0002]
[Prior art]
The development of genetic research in recent years has been remarkable, and the research target has shifted from lower organisms such as nematodes, Drosophila and yeast to higher animals such as mice, fish and humans. In the genetic research, the post-genome after the analysis of the whole genome has entered the era of proteomics, in which the function of the protein encoded by the genome is analyzed, and the era of phenomics, in which the phenotype is analyzed. It is expected to move to F.
[0003]
Here, zebrafish has been widely recognized as the most suitable animal species for genetic modification and gene knockout because of its extremely advantageous features in developmental biology. It has become one of.
[0004]
Specifically, zebrafish is a small tropical fish with a length of 5 to 6 cm. Unlike other fish, (1) eggs are laid at any time of the year, so eggs can be obtained throughout the year. Since the body is transparent, it has the feature that gene expression can be tracked and observed from outside with a fluorescent protein such as GFP (green fluorescent protein).
[0005]
In zebrafish genetic research, analysis of the whole genome is imminent, and in the future, the demand for behavioral analysis of fish as a phenotype, including developmental biology, that is, behavioral analysis of fish that has undergone genetic modification and gene knockout is immeasurable. Absent.
[0006]
However, behavior analyzers for small animals such as rats and mice are often used for medical research and are commercially available, but at present there are few fish analyzers.
[0007]
Note that the present inventors have disclosed Kato, S.A. Tamada, K .; , Shimada, Y .; {And} Chujo, T .; , A quantification of goldfish behavior by an image processing system, Behavioural Brain Research, 80 (1996) 51-55. In this paper, we proposed an image processing system for analyzing the behavior of goldfish, which captures the goldfish in the aquarium and analyzes the position distribution and direction of travel of the goldfish. Using the image processing system, the inventors have analyzed the behavior of goldfish, and in particular, performed a quantitative analysis of abnormal behavior after optic nerve transection.
[0008]
In addition, the published patent publication “Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 7-63747 (published on March 10, 1995)” discloses an abnormal water quality by discriminating the activity status and the survival status of the fish school in the aquarium. "Water quality inspection device" for detecting the water content is described. In this water quality inspection device, an image of a school of fish released into an aquarium is taken by an ITV camera, and a sampling process and a binarization process are executed by an image input unit. By setting the threshold value for binarization, the influence of disturbance or noise can be eliminated. The image processing unit extracts an image of each fish constituting the fish school from the binarized image data, attaches a label to each image, and based on the movement amount per unit time, the activity status and the survival status of the fish school. Perform identification.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, despite the necessity and urgent need for quantitative analysis of the behavior of zebrafish, there has been no suitable behavior analysis method or behavior analysis system. In other words, in the behavior analysis system and water quality inspection device for goldfish, since zebrafish perform high-speed and complicated three-dimensional behavior, it is not possible to perform precise quantitative behavior analysis to the extent that it can meet the demands of genetic research. It was possible.
[0010]
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an animal behavior analysis method and an animal capable of performing a quantitative behavior analysis that is precise enough to meet the requirements of genetic research. An object of the present invention is to provide a behavior analysis system. Another object of the present invention is to provide an animal behavior analysis program for realizing the above-described animal behavior analysis system, and a computer-readable recording medium recording the program.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, the animal behavior analysis method of the present invention is based on an imaging step of imaging an aquatic animal in an aquarium at a frame rate of 8 or more per second, based on the image captured in the imaging step. And analyzing the behavior of the aquatic animal.
[0012]
Furthermore, the animal behavior analysis method of the present invention is characterized in that the aquatic animal is zebrafish.
[0013]
Further, the animal behavior analysis system of the present invention is an animal behavior analysis system for analyzing the behavior of aquatic animals based on an image of an aquatic animal in an aquarium. It is characterized by having an imaging means for imaging at a frame rate.
[0014]
According to the above-described method and configuration, by capturing images serving as a basis for behavior analysis at a frame rate of 8 or more per second, behavior analysis of aquatic animals that perform complex behavior at high speed becomes possible.
[0015]
As explained in the prior art, zebrafish has extremely advantageous features in developmental biology, and phenotypic behavior analysis, that is, quantification of the behavior of zebrafish that has been genetically modified or knocked out There is a strong demand for the establishment of a technique for performing analytical analysis.
[0016]
Therefore, according to the above method and configuration, even for aquatic animals such as zebrafish that perform high-speed and complicated three-dimensional behavior, the behavior can be reliably imaged, so that behavior analysis becomes possible. . Therefore, it becomes possible to analyze the behavior of zebrafish precisely and quantitatively to the extent that it can meet the demands of genetic research.
[0017]
Further, the animal behavior analysis method of the present invention includes an observation data acquiring step of acquiring the positions and velocities of the first animal and the second animal, and the first animal and the second animal acquired in the observation data acquiring step. A tracking behavior evaluation step of evaluating a tracking behavior of the first animal with respect to the second animal based on the position and the velocity of the animal.
[0018]
Also, the animal behavior analysis system of the present invention includes an observation data acquisition unit that acquires the positions and velocities of the first animal and the second animal, and the first animal and the second animal that are acquired by the observation data acquisition unit. Tracking behavior evaluation means for evaluating the tracking behavior of the first animal with respect to the second animal based on the position and velocity of the animal.
[0019]
According to the above method and configuration, the tracking behavior of the animal can be quantitatively evaluated based on the position and the speed. Note that the first animal and the second animal may be of the same species or of different species. The first animal and the second animal may be aquatic animals such as zebrafish or terrestrial animals such as Drosophila and mice.
[0020]
Here, as a specific evaluation method of the tracking behavior, for example, the condition of the distance between the first animal and the second animal (distance between individuals), the traveling direction of the first animal, and the When all three conditions of the angle with the position (angle condition) and the condition of whether the first animal is approaching and the second animal is moving away (approaching condition) are satisfied at the same time, the first condition is satisfied. Can be determined to be following the second animal. And, as an evaluation index of the tracking behavior,
Tracking time rate = tracking time / observation time
Tracking distance ratio = moving distance while tracking / total moving distance
Etc. can be used.
[0021]
Further, the animal behavior analysis method of the present invention includes an observation data acquisition step of acquiring a movement trajectory of the animal, and a fractal dimension calculation step of calculating a fractal dimension of the movement trajectory acquired in the observation data acquisition step. It is characterized by.
[0022]
Further, the animal behavior analysis system of the present invention includes observation data acquisition means for acquiring a movement trajectory of the animal, and fractal dimension calculation means for calculating a fractal dimension of the movement trajectory acquired by the observation data acquisition means. It is characterized by doing.
[0023]
According to the above method and configuration, the complexity of the movement trajectory of the animal can be quantitatively evaluated. The animals may be aquatic animals such as zebrafish or terrestrial animals such as Drosophila and mice.
[0024]
The animal behavior analysis program of the present invention is a computer program that causes a computer to function as each of the above means.
[0025]
With the above configuration, the computer can realize each unit of the animal behavior analysis system, thereby realizing the animal behavior analysis system. Therefore, as the above-described animal behavior analysis system, it becomes possible to analyze the behavior of the animal precisely and quantitatively to such an extent that it can meet the demands of genetic research.
[0026]
In addition, a computer-readable recording medium on which the animal behavior analysis program of the present invention is recorded is a computer that stores an animal behavior analysis program for operating the above-described animal behavior analysis system by causing the computer to realize the above-described units. This is a readable recording medium.
[0027]
With the above configuration, the animal behavior analysis system can be realized on a computer by the animal behavior analysis program read from the recording medium.
[0028]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
One embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. In the present embodiment, as an example, a case will be described in which the behavior analysis of zebrafish, in particular, the case of quantitatively evaluating the effect of optic nerve transection (visual blockage) is performed.
[0029]
As shown in FIG. 1, a behavior analysis system 1 according to the present embodiment includes a water tank 2 containing zebrafish F in water, two CCD cameras 3.3, two monitors 4.4, a video mixer 5, An image processing apparatus 10 is provided. The behavior analysis system 1 analyzes the behavior of the zebrafish F based on an image of the zebrafish F in the water tank 2.
[0030]
The water tank 2 is an observation space. The shape of the water tank 2 is, for example, 24 cm long, 37 cm wide, and 29 cm high. One or a plurality of zebrafish F are swimming freely in the water tank 2. The water tank 2 is illuminated by four reflex lamps (150 W each) (not shown) installed diagonally above the water tank 2 so as to prevent reflection and backlight from occurring on the CCD camera 3.
[0031]
The CCD cameras 3, 3 are installed above the water tank 2 and at a position of about 1.5 m laterally, and are set so that the entire water tank 2 can be photographed in two directions, that is, upward and laterally. In addition, since the zebrafish F is small and the swimming speed is as fast as 70 mm / sec, the CCD camera 3.3 has a shutter speed of 1/60 sec, a frame rate of 10 frames / sec, and a resolution (pixel) in the upward direction. Images can be taken at 256 (vertical) x 128 (horizontal) in the horizontal direction. The photographing is performed, for example, continuously for 30 minutes. The color tone is full color. Also, a composite video terminal is used for a video signal transmission connector.
[0032]
As described above, when the experimental animal is zebrafish, the frame rate of the CCD camera 3 is preferably 8 frames / second or more, and more preferably 10 frames / second. In the case of goldfish, 4 frames / sec was sufficient.
[0033]
The monitor 4 is a display monitor having a composite video input terminal for displaying an image from the CCD camera 3. With the monitor 4, an image being captured by the CCD camera 3 can be confirmed in real time.
[0034]
The video mixer 5 combines the two images captured by the two CCD cameras 3 into one image divided into upper and lower parts, and outputs it to an image input board 11 (described later).
[0035]
The image processing device 10 captures an image captured by the CCD camera 3, binarizes the image in real time, records it in the data storage unit 13, and performs analysis based on the binarized image after the observation. To this end, the image processing apparatus 10 includes an image input board 11, a binarization processing unit 12, a data storage unit 13, and an analysis processing unit 14.
[0036]
The image input board 11 is an interface of the image processing device 10 and is a full-color image input board. In the present embodiment, the effective range of the image is 512 × 512 pixels, and the image is used in the frame mode. The image input board 11 can output an input image from a composite video terminal (through-out) to an external monitor (not shown).
[0037]
The binarization processing unit 12 records the binarized image in the data storage unit 13 by comparing the image captured from the image input board 11 with a threshold value for each pixel.
[0038]
The data storage unit 13 is a storage device such as a hard disk, and stores a binarized image generated by the binarization processing unit 12 and a calculation result by the analysis processing unit 14.
[0039]
The analysis processing unit 14 recognizes the zebrafish F based on the binarized image stored in the data storage unit 13 and performs general measurement of a swimming trajectory and the like, and special measurement of tracking action evaluation and fractal dimension calculation of the swimming trajectory. I do. Therefore, the analysis processing unit 14 includes a general measurement unit 14A, a tracking behavior evaluation unit 14B, and a fractal dimension calculation unit 14C. The analysis results of the general measurement and the special measurement can be stored in the data storage unit 13 or output to a monitor or a printer (not shown).
[0040]
The general measurement unit 14A determines observation data (position, speed, swimming locus, etc.) of the zebrafish F based on the binarized image generated by the binarization processing unit 12. Specifically, first, the general measurement unit 14A reads the binarized image from the data storage unit 13, and recognizes the zebrafish F from the difference in color from the background. Next, the coordinates of the center of gravity of the zebrafish F area are obtained. Subsequently, based on the center-of-gravity coordinate data, position coordinates, swimming trajectory (two-dimensional, three-dimensional), position distribution, moving speed, moving distance, body axis inclination, left and right rotation (right rotation, left rotation, straight ahead, etc. ) And so on. Note that the general measurement unit 14A performs image processing such as labeling processing and occlusion separation processing in order to prevent rapid separation of images and apparent overlap. This makes it possible to handle a plurality of fish.
[0041]
Furthermore, when photographing a fish that swims at high speed and complexity, such as a zebrafish, binarization is first performed at a resolution of, for example, 1/4 to increase the frame rate and resolution, and the fish is determined to be a fish. Only the area around the area may be binarized at the original resolution. As a result, the number of processes can be significantly reduced, and a preferable frame rate and resolution can be obtained.
[0042]
The tracking behavior evaluation unit 14B reads the position and velocity, which are the observation data determined by the general measurement unit 14A, from the data storage unit 13, and evaluates the tracking behavior of the focused individual to other individuals.
[0043]
The fractal dimension calculating unit 14C reads the swimming trajectory, which is the observation data determined by the general measuring unit 14A, from the data storage unit 13, and calculates the fractal dimension of the swimming trajectory.
The tracking behavior evaluation unit 14B and the fractal dimension calculation unit 14C will be described later in detail.
[0044]
As described above, the behavior analysis system 1 first allows the zebrafish F to freely swim in the water tank 2 and continuously captures images of the zebrafish F from the upper and side directions of the water tank 2 with the CCD cameras 3.3 for a predetermined time. Is taken into the image processing apparatus 10, binarized, and stored in the data storage unit 13. After observation for a predetermined time, the analysis processing unit 14 recognizes the zebrafish F from the binarized image and performs various analyzes of general measurement and special measurement.
[0045]
Subsequently, the tracking action evaluation and the fractal dimension calculation of the swimming trajectory, which are special measurements, will be described in detail.
[0046]
(1) Tracking behavior evaluation
The tracking action evaluation by the tracking action evaluation unit 14B will be described with reference to FIGS.
[0047]
Two or more fish, such as zebrafish, form a school and have a habit of swimming as if the following fish followed the preceding fish. The tracking action evaluation unit 14B determines three conditions, (i) an inter-individual distance condition, (ii) an angle condition, and (iii) an approach condition, respectively, and a tracking action is established when all of them are established simultaneously. It is determined that there is. Then, the tracking action evaluation unit 14B evaluates the tracking action by time and distance as a tracking rate.
[0048]
(I) Distance condition between individuals
If the distance L between the two animals is too far, it is not regarded as tracking. Further, if the water tank 2 is too close when viewed from above, it can be determined that they are swimming, that is, they are swimming at positions of different depths, so that it is determined that tracking is not performed. In the present embodiment, empirically,
1cm <L <10cm
Was set. However, as shown in FIG. 2, there are times when swimming occurs in parallel.
[0049]
(Ii) Angle condition
In the tracking state, there should always be a chase fish in front of the chase fish. Therefore, as shown in FIG. 3A, the condition is that there is a fish being chased within a certain angle θ from the traveling direction of the chasing fish. In the present embodiment, as the angle condition, empirically,
θ = 50 °
Was set. However, as shown in FIG. 3B, there is a case where the swimmers face each other, and therefore the following condition is determined.
[0050]
(Iii) Approach conditions
In the tracking state, the chase fish tries to approach and the chase fish tries to move away. Therefore, when L, L1, and L2 are determined as shown in FIG.
L> L1 and L <L2
It becomes. FIG. 4B shows an example when tracking is not determined (L> L1 and L> L2).
[0051]
When all of the above three conditions are satisfied at the same time, the tracking action evaluation unit 14B sets the tracking action evaluation index as
Tracking time rate = tracking time / observation time
Tracking distance ratio = moving distance while tracking / total moving distance
Is calculated.
[0052]
Therefore, based on the tracking time rate and the tracking distance rate calculated by the tracking action evaluation unit 14B, it is possible to objectively evaluate visual function recovery from a goldfish or zebrafish action analysis.
[0053]
FIG. 5 shows the result of analyzing the tracking behavior of the zebrafish using the tracking time rate. The left side shows the tracking rate of normal zebrafish (control experiment), and the right side shows the tracking rate of zebrafish on the first day of bilateral optic nerve transection. The normal one is about 30% and the cut one is about 8%, which indicates that tracking becomes extremely difficult when blind.
[0054]
Unlike mammals, fish optic nerves regenerate even when cut. Therefore, it is extremely important to evaluate whether the fish have really restored visual function.
[0055]
FIG. 6 shows the results of observing the recovery of the visual function of zebrafish using the tracking time rate and the tracking distance rate. As shown in FIG. 6, as a result of observing the behavior of the fish when the optic nerve is severed unilaterally or bilaterally, it can be seen that the optic nerve has two phases of fast recovery and slow recovery.
[0056]
That is, when the (1) 1 side is cut, the vertical axis of the fish tilts toward the normal optic nerve side and rotates well toward the normal optic nerve side. This recovery of tilt and rotation was completed in about one month for goldfish and about two weeks for zebrafish. This recovery was confirmed by analyzing the inclination and the rotation direction by the general measuring unit 14A.
[0057]
(2) When the optic nerve is bilaterally cut, the tracking behavior is greatly disturbed. Recovery of this tracking behavior was completed in 4-5 months for goldfish and 2-3 months for zebrafish. This recovery was confirmed by analyzing the tracking action by the tracking action evaluation unit 14B.
[0058]
As described above, the inventor has confirmed that the behavior analysis system 1 can objectively evaluate visual function recovery from fish behavior analysis.
[0059]
The values of the tracking time rate and the tracking distance rate for one day and one week in FIG. 6 (about 8%) are obtained by superimposing two different images obtained by putting only one zebrafish F in the water tank 2. It is confirmed that they are equal to the tracking time rate and the tracking distance rate calculated from. Therefore, about 8% can be disregarded as a coincidence that the two zebrafish accidentally have a positional relationship that satisfies the tracking determination condition.
[0060]
(2) Fractal dimension of swimming trajectory
The evaluation of the complexity of the swimming locus of the fish by the fractal dimension calculating unit 14C will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, the fractal dimension is a parameter representing the complexity of the curve.
[0061]
As shown in FIG. 7, assuming that the number of measures required when approximating a curve using a measure of length ε is N (ε), a fractal dimension D is represented by the following relational expression:
N (ε) = k · ε1-D
Is defined by Taking the log of both sides of this equation gives
logN (ε) = − D · logε + k ′
It becomes. Here, k and k 'are constants.
[0062]
Here, the above equation means that, when the curve has fractal properties, when N (ε) and ε are plotted on a logarithmic graph, they are arranged in a straight line within a certain range. Therefore, as shown in FIG. 8, a fractal dimension D can be obtained by obtaining a regression line of a point on the graph using the least squares method and examining the slope.
[0063]
FIG. 9 shows the result of analyzing the swimming locus of zebrafish using the fractal dimension. The left side shows the fractal dimension of normal zebrafish (control experiment), and the right side shows the fractal dimension of zebrafish on day 1 of bilateral optic nerve transection. The larger the value of the fractal dimension is, the more complicated the trajectory of the swim is. Therefore, it can be understood from the result that the trajectory of the swim becomes simpler when the blindness is increased.
[0064]
As described above, the behavior analysis system 1 includes the CCD camera 3 that captures images of the zebrafish F in the water tank 2 at a frame rate of 8 sheets / second or more, and the general measurement unit 14A that acquires observation data from the images. Prepare. Then, the tracking behavior evaluation unit 14B evaluates the tracking behavior between the zebrafish F based on the position and the speed, which are the observation data of the zebrafish F. Further, the fractal dimension calculating unit 14C calculates the fractal dimension of the swimming trajectory based on the swimming trajectory which is the observation data of the zebrafish F.
[0065]
This makes it possible to quantitatively and precisely analyze the behavior of zebrafish, which is optimal as an experimental animal for genetic research but swims at high speed and in a complicated manner. Then, the complex behavior of zebrafish can be obtained in real time and quantitatively analyzed. In addition, the behavior of zebrafish can be easily measured from immediately after hatching to adult fish.
[0066]
Note that the present embodiment does not limit the scope of the present invention, and various changes can be made within the scope of the present invention. For example, the present embodiment can be configured as follows.
[0067]
In order to evaluate the tracking behavior, it is sufficient that the position and speed of the animal can be used as observation data, and in order to calculate the fractal dimension, it is sufficient that the movement trajectory can be used as observation data. Therefore, these observation data may be acquired by, for example, position detection using a transmitter mounted on an animal, instead of generating the observation data from an image.
[0068]
Further, a feeding device is provided in the water tank 2, and the feeding device, the CCD camera 3, the video mixer 5, and the image processing device 10 (the image input board 11, the binarization processing unit 12, and the data storage unit 13) are controlled by a timer. Thus, a long-term observation as shown in FIG. 6 can be automatically performed.
[0069]
According to the behavior analysis system 1, quantification of behavior analysis of fish and the like can be realized. Therefore, the behavior analysis system 1 can be variously used in a field that uses quantification of behavior analysis of an animal. For example, as described above, quantitative analysis of abnormal behavior after optic nerve transection (visual blockage) is possible. That is, it can be used for evaluation of nerve damage and regeneration. In addition, it can be used for screening for genetic modification and mutant phenotypic abnormalities. Further, by comparing a genetically modified fish or a knockout fish with a wild fish, the correlation between the gene and the phenotype (behavior) can be analyzed. Furthermore, it can be used to evaluate the effect of drug efficacy (especially neuroactive drugs and the like) and duration.
[0070]
In addition, the behavior analysis system 1 can be used for screening for external factors (water quality, environmental hormones). Therefore, it is possible to monitor the swimming environment (dissolved oxygen, environmental mutagens, water temperature, poisons, etc.) of the fish.
[0071]
In addition, the behavior analysis system 1 can be used for comparison between natural fish and artificially bred fish and for analysis of fish school behavior, so that it can be applied to fishing techniques such as fishing methods and aquaculture methods.
[0072]
Further, the behavior analysis system 1 can be applied to three-dimensional behavior observation of not only aquatic animals such as zebrafish but also terrestrial animals such as Drosophila and mice. In addition, the present invention can be applied to behavioral psychology of animals, for example, by observing changes in the behavior of fish by adding colors and patterns to the wall surface of the aquarium.
[0073]
Finally, the image processing apparatus 10 can be configured based on a general-purpose computer such as a workstation or a personal computer. That is, the image processing apparatus 10 includes a CPU (central processing unit) that executes instructions of a program for realizing the function, a ROM (read only memory) storing boot logic, and a RAM (random access memory) that expands the program. A storage device (recording medium) such as a hard disk for storing the programs and various databases, input devices such as a keyboard and a mouse, and output devices such as a monitor, a speaker, and a printer are connected by an internal bus.
[0074]
Further, an object of the present invention is to provide a computer-readable recording medium storing program codes (executable format program, intermediate code program, source program) of an animal behavior analysis program which is software for realizing the above-described functions. The present invention can also be achieved by supplying the program to a system or an apparatus and causing a computer (or CPU, MPU, or DSP) of the system or the apparatus to read and execute a program code recorded on a recording medium. In this case, the program code itself read from the recording medium realizes the above-described function, and the recording medium on which the program code is recorded constitutes the present invention.
[0075]
Specifically, the binarization processing unit 12 and the analysis processing unit 14 included in the image processing device execute a predetermined program stored in a memory (not shown) of the image processing device 10 by a microprocessor or the like. This is achieved by:
[0076]
The recording medium for supplying the program code can be configured to be separable from the system or the device. Further, the recording medium may be a medium that fixedly carries the program code so that the program code can be supplied. Even if the recording medium is mounted on a system or an apparatus so that a computer can directly read the recorded program code, the recording medium may be connected to a system or apparatus as an external storage device via a program reading apparatus connected to the system or the apparatus. It may be mounted so that it can be read.
[0077]
For example, the recording medium may be a tape system such as a magnetic tape or a cassette tape, a magnetic disk such as a floppy (registered trademark) disk / hard disk, or a disk including an optical disk such as a CD-ROM / MO / MD / DVD / CD-R. System, a card system such as an IC card (including a memory card) / optical card, or a semiconductor memory system such as a mask ROM / EPROM / EEPROM / flash ROM.
[0078]
Further, the program code may be recorded so that the computer can read out from the recording medium and directly execute the program code, or can be read out from the main storage and executed by the computer after being transferred from the recording medium to the program storage area of the main storage. May be recorded as follows.
[0079]
Further, the system or device may be configured to be connectable to a communication network, and the program code may be supplied via the communication network. The communication network is not particularly limited. Specifically, the Internet, intranet, extranet, LAN, ISDN, VAN, CATV communication network, virtual private network (virtual private network), telephone line network, mobile communication A network, a satellite communication network, or the like is applicable. The transmission medium constituting the communication network is not particularly limited. Specifically, even if the transmission medium is a wire such as IEEE 1394, USB, power line carrier, cable TV line, telephone line, or ADSL line, an infrared ray such as IrDA or remote control is used. , Bluetooth, 802.11 wireless, HDR, mobile phone network, satellite line, digital terrestrial network, and the like.
[0080]
The program for reading the program code from the recording medium and storing the program code in the main memory, and the program for downloading the program code from the communication network are stored in advance in a system or an apparatus so as to be executable by a computer. I do.
[0081]
The functions described above are realized not only by executing the above-described program code read by the computer, but also based on the instruction of the program code, the OS or the like running on the computer performs part or all of the actual processing. It is also realized by performing.
[0082]
Further, the above-described functions are realized by writing the program code read from the recording medium into a memory provided in a function expansion board or a function expansion unit connected to the computer. Is also realized by a CPU or the like provided in the function expansion board or function expansion unit performing part or all of the actual processing based on the instruction.
[0083]
【The invention's effect】
As described above, the animal behavior analysis method of the present invention includes an imaging step of imaging an aquatic animal in an aquarium at a frame rate of 8 sheets / second or more, and a behavior of the aquatic animal based on the image captured in the imaging step. And performing an analysis.
[0084]
Further, in the animal behavior analysis method of the present invention, the aquatic animal is a zebrafish.
[0085]
Further, the animal behavior analysis system of the present invention is an animal behavior analysis system for analyzing the behavior of aquatic animals based on an image of an aquatic animal in an aquarium. This is a configuration including an imaging unit that performs imaging at a frame rate.
[0086]
Therefore, even for aquatic animals such as zebrafish that perform complex three-dimensional behavior at high speed, the behavior can be reliably imaged, and the behavior analysis can be performed. Therefore, there is an effect that the behavior of the zebrafish can be analyzed quantitatively and precisely so as to be able to meet the demands of genetic research.
[0087]
Further, the animal behavior analysis method of the present invention includes an observation data acquiring step of acquiring the positions and velocities of the first animal and the second animal, and the first animal and the second animal acquired in the observation data acquiring step. A tracking behavior evaluation step of evaluating a tracking behavior of the first animal with respect to the second animal based on the position and the velocity of the animal.
[0088]
Also, the animal behavior analysis system of the present invention includes an observation data acquisition unit that acquires the positions and velocities of the first animal and the second animal, and the first animal and the second animal that are acquired by the observation data acquisition unit. Tracking behavior evaluation means for evaluating the tracking behavior of the first animal with respect to the second animal based on the position and velocity of the animal.
[0089]
Therefore, there is an effect that the tracking behavior of the animal can be quantitatively evaluated based on the position and the speed.
[0090]
Also, the animal behavior analysis method of the present invention is a method comprising: an observation data acquisition step of acquiring a movement locus of an animal; and a fractal dimension calculation step of calculating a fractal dimension of the movement locus acquired in the observation data acquisition step. It is.
[0091]
Further, the animal behavior analysis system of the present invention includes observation data acquisition means for acquiring a movement trajectory of the animal, and fractal dimension calculation means for calculating a fractal dimension of the movement trajectory acquired by the observation data acquisition means. Configuration.
[0092]
Therefore, there is an effect that the complexity of the moving locus of the animal can be quantitatively evaluated.
[0093]
The animal behavior analysis program of the present invention is a computer program that causes a computer to function as each of the above means.
[0094]
Therefore, the above-described animal behavior analysis system is realized, and the behavior of the animal can be analyzed quantitatively and precisely so as to be able to meet the demands of genetic research.
[0095]
In addition, a computer-readable recording medium on which the animal behavior analysis program of the present invention is recorded is a computer that stores an animal behavior analysis program for operating the above-described animal behavior analysis system by causing the computer to realize the above-described units. This is a readable recording medium.
[0096]
Therefore, there is an effect that the animal behavior analysis system can be realized on a computer by the animal behavior analysis program read from the recording medium.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a behavior analysis system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating an inter-individual distance condition determined by a tracking behavior evaluation unit of the behavior analysis system shown in FIG. 1;
3A and 3B are diagrams illustrating an angle condition determined by a tracking behavior evaluation unit of the behavior analysis system shown in FIG. 1; FIG. 3A illustrates a case where the angle condition is satisfied; FIG. Are not satisfied.
4A and 4B are diagrams illustrating an approach condition determined by a tracking action evaluation unit of the action analysis system shown in FIG. 1, wherein FIG. 4A illustrates a case where the approach condition is satisfied, and FIG. 4B illustrates a case where the approach condition is not satisfied. Shown respectively.
FIG. 5 is a graph showing an example of analyzing the tracking behavior of zebrafish in order to quantitatively evaluate the effect of optic nerve transection using the tracking time rate calculated by the tracking behavior evaluation unit of the behavior analysis system shown in FIG. It is.
6 is a graph showing the results of observing the recovery of the visual function of zebrafish using the tracking time rate and the tracking distance rate calculated by the tracking behavior evaluation unit of the behavior analysis system shown in FIG. 1.
7 is a diagram illustrating a method for calculating a fractal dimension of a swimming locus of a fish in a fractal dimension calculating unit of the behavior analysis system shown in FIG. 1;
FIG. 8 is a diagram illustrating a method of calculating a fractal dimension of a swimming locus of a fish in a fractal dimension calculating unit of the behavior analysis system shown in FIG. 1;
9 is a graph showing an example of analyzing a swimming locus of zebrafish in order to quantitatively evaluate the effect of optic nerve transection using the fractal dimension calculated by the fractal dimension calculator of the behavior analysis system shown in FIG. is there.
[Explanation of symbols]
1) Behavior analysis system
2 tank
3 CCD camera (imaging means)
12 binarization processing unit (observation data acquisition means)
14A General measurement section (observation data acquisition means)
14B Tracking behavior evaluation unit (Tracking behavior evaluation means)
14C fractal dimension calculator (fractal dimension calculator)
F zebrafish (aquatic animals)

Claims (9)

水槽中の水棲動物を8枚/秒以上のフレームレートで撮像する撮像ステップと、
上記撮像ステップにおいて撮像した画像に基づき、水棲動物の行動解析を行う解析ステップと、を含むことを特徴とする動物の行動解析方法。
An imaging step of imaging aquatic animals in the aquarium at a frame rate of 8 or more per second;
An analyzing step of analyzing the behavior of the aquatic animal based on the image captured in the imaging step.
上記水棲動物がゼブラフィッシュであることを特徴とする請求項1に記載の動物の行動解析方法。The animal behavior analysis method according to claim 1, wherein the aquatic animal is zebrafish. 水槽中の水棲動物を撮像した画像に基づき、当該水棲動物の行動解析を行う動物の行動解析システムであって、
上記画像を8枚/秒以上のフレームレートで撮像する撮像手段を具備することを特徴とする動物の行動解析システム。
An animal behavior analysis system for analyzing the behavior of the aquatic animal based on an image of the aquatic animal in the aquarium,
An animal behavior analysis system comprising an image pickup means for picking up the images at a frame rate of 8 sheets / second or more.
第1の動物と第2の動物の位置および速度を取得する観測データ取得ステップと、
上記観測データ取得ステップにおいて取得した第1の動物と第2の動物の位置および速度に基づいて、第1の動物の第2の動物に対する追尾行動を評価する追尾行動評価ステップと、を含むことを特徴とする動物の行動解析方法。
An observation data acquisition step of acquiring the positions and velocities of the first animal and the second animal;
A tracking behavior evaluation step of evaluating a tracking behavior of the first animal with respect to the second animal based on the positions and velocities of the first animal and the second animal acquired in the observation data acquiring step. Characteristic animal behavior analysis method.
第1の動物と第2の動物の位置および速度を取得する観測データ取得手段と、上記観測データ取得手段によって取得された第1の動物と第2の動物の位置および速度に基づいて、第1の動物の第2の動物に対する追尾行動を評価する追尾行動評価手段と、を具備することを特徴とする動物の行動解析システム。Observation data acquisition means for acquiring the positions and velocities of the first and second animals, and the first and second animals based on the position and velocity of the first and second animals acquired by the observation data acquisition means. And a tracking behavior evaluation means for evaluating a tracking behavior of the second animal with respect to the second animal. 動物の移動軌跡を取得する観測データ取得ステップと、
上記観測データ取得ステップにおいて取得した移動軌跡のフラクタル次元を算出するフラクタル次元算出ステップと、を含むことを特徴とする動物の行動解析方法。
An observation data acquisition step for acquiring an animal movement trajectory;
A fractal dimension calculating step of calculating a fractal dimension of the moving trajectory acquired in the observation data acquiring step.
動物の移動軌跡を取得する観測データ取得手段と、
上記観測データ取得手段によって取得された移動軌跡のフラクタル次元を算出するフラクタル次元算出手段と、を具備することを特徴とする動物の行動解析システム。
Observation data acquisition means for acquiring a movement locus of an animal;
An animal behavior analysis system, comprising: a fractal dimension calculating unit that calculates a fractal dimension of a movement locus acquired by the observation data acquiring unit.
請求項5または7に記載の動物の行動解析システムを動作させる動物の行動解析プログラムであって、コンピュータを上記の各手段として機能させるための動物の行動解析プログラム。An animal behavior analysis program for operating the animal behavior analysis system according to claim 5 or 7, which causes a computer to function as each of the above means. 請求項8に記載の動物の行動解析プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。A computer-readable recording medium recording the animal behavior analysis program according to claim 8.
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