DE68905019T2

DE68905019T2 - Vorrichtung zur ueberwachung des verhaltens von versuchstieren.

Info

Publication number: DE68905019T2
Application number: DE8989118098T
Authority: DE
Inventors: Kazuhito Sakano
Original assignee: Toyo Sangyo Co Ltd
Current assignee: Toyo Sangyo Co Ltd
Priority date: 1988-10-14
Filing date: 1989-09-29
Publication date: 1993-09-16
Anticipated expiration: 2009-09-30
Also published as: JPH02104333A; EP0363755B1; DE68905019D1; JPH07108285B2; US4968974A; ES2039790T3; EP0363755A3; EP0363755A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Beobachtungsgerät zur Beobachtung des Verhaltens von Versuchstieren wie Mäusen, Ratten oder Hamstern, welches optische Sensoren verwendet, um die Bewegungen des Versuchstieres zu messen.
Für neue medizinische Artikel und Lebensmittel gibt es eine gesetzliche Verpflichtung, diese Sicherheitstests, worin Langzeit-Tierversuche enthalten sind, zu unterziehen. Die Beobachtung des Verhaltens eines Versuchstiers ist eine der Formen von Tierversuchen. Da die kontinuierliche visuelle Beobachtung der Bewegungen eines Versuchstiers unmöglich ist, wird das Verhalten des Versuchstiers durch optische Sensoren verfolgt, um die Positionen des Versuchstiers zu bestimmen. Die durch die optischen Sensoren gewonnenen Daten werden logisch analysiert und das Verhalten wird durch numerische Daten dargestellt. Wie in Figur 5 gezeigt und in US-A-4,337,726 offenbart ist, umfaßt ein konventionelles Gerät zur Beobachtung des Verhaltens eines Versuchstiers einen Käfig 1 in der Form eines rechtwinkligen Festkörpers und entlang der x- und der y-Achse angeordnete optische Sensoren, die senkrecht zueinander sind, um nur die zweidimensionalen Positionen, die Breite und die Länge eines Versuchstiers, d.h. einer Maus M, zu messen.
Da das Versuchstier nur innerhalb einer Ebene erfaßt wird, ist dieses konventionelle Beobachtungsgerät nicht in der Lage, eigenartige Stehvorgänge und kleine Bewegungen des Versuchstiers, wie die Schwingbewegungen des Kopfs Ma innerhalb der Breite Ya des Körpers Ma, zu detektieren. Da das konventionelle Beobachtungsgerät nicht in der Lage ist, die dreidimensionalen Bewegungen des Versuchstiers zu detektieren, und die Bewegungen des Schwanzes und des Körpers Ma zusammen detektiert, ist es nicht in der Lage, detaillierte gemessene Daten zu liefern. Obwohl eine optischer Sensor für dreidimensionale Detektion eingerichtet werden kann, erhöht eine Vergrößerung der Anzahl der optischen Sensoren unweigerlich die Kosten des Beobachtungsgeräts. Wenn weiterhin der Raumbereich, der durch die Seitenwände des Käfigs festgelegt wird, nicht außerordentlich grob ist, wird das Vorwärtskommen des Versuchstiers durch die Seitenwände des Käfigs begrenzt, der die Form eines rechtwinkligen Festkörpers hat, und daher ist die kontinuierliche Bewegung des Versuchstiers beschränkt. Dementsprechend werden die willkürlichen oder spontanen Bewegungen des Versuchstiers eingeschränkt und das Versuchstier muß sich unter körperlichen Einschränkungen bewegen, was die Genauigkeit von gemessenen Daten verschlechtert.
Dementsprechend ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Beobachtungsgerät zur Beobachtung des Verhaltens von Versuchstieren zu schaffen, das in der Lage ist, die dreidimensionalen Bewegungen eines Versuchstiers zu messen, ohne eine übermäßig grobe Zahl von optischen Sensoren zu erfordern, und das einen Käfig verwendet, der einen begrenzten Halteraum mit einer besonderen Morphologie festlegt, die dafür geeignet ist, das Versuchstier sich spontan und kontinuierlich bewegen zu lassen, als ob das Versuchstier sich in einem unendlichen Raum befände.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Beobachtungsgerät zur Beobachtung des Verhaltens von Versuchstieren einen durchsichtigen Haltekäfig mit zylindrischen äußeren und inneren Wänden, die einen ringförmigen Halteraum dazwischen festlegen, am Rand befindliche Positionsdetektoren, Stehvorgang-Detektoren, innere peripherische Positionsdetektoren und äußere peripherische Positionsdetektoren und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Licht projizierenden Elemente der am Rand befindlichen Positionsdetektoren und der Stehvorgang-Detektoren entweder außerhalb der äußeren Wand des Haltekäfigs oder innerhalb der inneren Wand des Haltekäfigs angeordnet sind, die Licht empfangenden Elemente der am Rand befindlichen Detektoren und der Stehvorgang-Detektoren jeweils gegenüber den entsprechenden Licht projizierenden Elementen entweder innerhalb der inneren Wand des Haltekäfigs oder außerhalb der äußeren Wand des Haltekäfigs angeordnet sind, die Licht projizierenden Elemente der inneren peripherischen Positionsdetektoren in einem Kreis entweder oberhalb oder unterhalb des Haltekäfigs angeordnet sind, die Licht empfangenden Elemente der inneren peripherischen Positionsdetektoren jeweils gegenüber den entsprechenden Licht projizierenden Elementen entweder unterhalb oder oberhalb des Haltekäfigs angeordnet sind, die Licht projizierenden Elemente der äußeren peripherischen Positionsdetektoren in einem Kreis entweder oberhalb oder unterhalb des Haltekäfigs angeordnet sind und die Licht empfangenden Elemente der äußeren peripherischen Positionsdetektoren jeweils gegenüber den entsprechenden Licht projizierenden Elementen entweder unterhalb oder oberhalb des Haltekäfigs angeordnet sind.
Der ringförmige Raum bietet einen endlosen Weg für die Umfangsbewegung des Versuchstiers längs der inneren oder äußeren Wand des Haltekäfigs, so dar die natürlichen und spontanen Bewegungen des Versuchstiers ermöglicht werden. Die durchsichtigen inneren und äußeren Wände legen einen Weg mit einer groben scheinbaren Breite fest und das Versuchstier ist daher nicht psychologisch unter Druck gesetzt.
Der am Rand befindliche Positionsdetektor detektiert die Orientierung des Versuchstiers, die Stehvorgang-Detektoren detektieren die Stehvorgänge des Versuchstiers, die inneren peripherischen Positionsdetektoren detektieren die Positionen des Versuchstieres auf der Innenseite des Wegs und die äußeren peripherischen Positionsdetektoren detektieren die Positionen des Versuchstiers auf der äußeren Seite des Wegs und einer der inneren peripherischen Positionsdetektoren und der entsprechende äußere peripherische Positionsdetektor detektieren das Versuchstier gleichzeitig, wenn das Versuchstier sich in einer Position zwischen den inneren und äußeren Wänden des Haltekäfigs befindet, so dar die Bewegung des Versuchstiers in einein dreidimensionalen Raum detektiert werden kann.
Die radiale Anordnung der Detektoren jeweils in einem Kreis gestattet die Untersuchung von geringfügigen Bewegungen des Versuchstiers durch ein Computersystem, ohne eine übermäßig grobe Zahl von Detektoren zu erfordern.
Folglich ist das Beobachtungsgerät der vorliegenden Erfindung einfach und kompakt in der Konstruktion, billig, in der Lage, kontinuierlich und minutiös die dreidimensionalen natürlichen, spontanen Bewegungen des Versuchstiers zu detektieren und in der Lage, kontinuierlich sehr zuverlässige, genaue Daten unter Verwendung einer vergleichsweise geringen Zahl von Detektoren zu erhalten.
Das Beobachtungsgerät der vorliegenden Erfindung kann für die folgenden Zwecke verwendet werden.
1. Entwicklung der psychiatrischen Medizin,
2. Verhaltensmessung (tägliches und zirkadianes Verhalten),
3. Untersuchung von dementia senilis,
4. Untersuchung der zeitabhängigen Änderung der Wirkung von Medizin,
5. Untersuchung von Instinktverhalten (sexueller Reiz und Appetit),
6. Untersuchung der Reaktion auf externe Reize,
7. Untersuchung von Lernfunktionen,
8. Untersuchung des Intelligenzniveaus.
Die oben genannten und anderen Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher durch die folgende Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen.
Figur 1 ist eine teilweise geschnittene Vorderansicht eines Beobachtungsgeräts zur Beobachtung des Verhaltens von Versuchstieren in einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Haltekäfigs, der bei dem Beobachtungsgerät der Figur 1 verwendet wird;
Figur 3 ist eine diagrammatische Draufsicht, die zur Erklärung der Anordnung der Detektoren nützlich ist;
Figur 4 ist eine fragmentarische Schnittansicht längs der Linie A-A in Figur 1, welche die Anordnung von Detektoren zeigt;
Figur 5 ist eine diagrammatische Darstellung, die zum Erklären eines konventionellen Beobachtungsgeräts zur Beobachtung des Verhaltens von Versuchstieren nützlich ist.
Bezugnehmend auf die Figuren 1 und 2 weist ein Beobachtungsgerät, in dem die vorliegende Erfindung inkorporiert ist, einen Haltekäfig 1 auf, der in einem Gehäuse C untergebracht ist. Der Haltekäfig 1 wird durch Formen eines durchsichtigen Kunststof fs gebildet. Der Haltekäfig 1 besitzt eine Bodenwand 3, eine zylindrische äußere Wand 2, die längs des äußeren Rands der Bodenwand 3 ausgebildet ist, und eine zylindrische innere Wand 4, die entlang dem inneren Rand der Bodenwand 3 ausgebildet ist und die einen Kern 5 bildet, der einer umgestülpten Tasse ähnelt. Die äußere Wand 2 und die innere Wand 4 legen einen ringförmigen Halteraum 6 zwischen sich fest. Ein durchsichtiger Deckel 7 ist auf der Oberseite des Haltekäfigs 1 angeordnet, um den Halteraum 6 zu verschließen.
Das Beobachtungsgerät ist mit am Rand befindlichen Positionsdetektoren 10, Stehvorgang-Detektoren 11, inneren peripherischen Positionsdetektoren 12 und äußeren peripherischen Positionsdetektoren 13 ausgerüstet. Detektions- Signale, die von diesen Detektoren erzeugt werden, werden von einer Datenverarbeitungseinheit verarbeitet, die in dem Gehäuse c vorgesehen ist.
Ein oberer Ring 20 und ein unterer Ring 21 sind koaxial um den Haltekäfig 1 herum angeordnet. Eine obere Scheibe 22 und eine untere Scheibe 23 sind koaxial innerhalb des Kerns 5 angeordnet. Eine ringförmige Deckplatte 24 ist koaxial zu den Haltekäfig 1 über diesem angeordnet. Eine kreisförmige Bodenplatte 25 ist koaxial zu dem Haltekäfig 1 unter diesem angeordnet.
Die am Rand befindlichen Positonsdetektoren 10 besitzen Licht projizierende Elemente 10a, die am Rand der unteren Scheibe 23 abwechselnd auf der oberen und unteren Seite derselben in gleichen Winkelintervallen von 10º angeordnet sind und Licht empfangende Elemente 10b, die am Rand des unteren Rings 21 abwechselnd an der oberen und unteren Seite desselben angeordnet sind, so dar sie jeweils den Licht projizierenden Elementen 10a entsprechen. Die Stehvorgangdetektoren 11 besitzen Licht projizierende Elemente 11a, die an der oberen Scheibe 23 ähnlich wie die Licht projizierenden Elemente 10a der am Rand befindlichen Positionsdetektoren 10 vorgesehen sind, und Licht empfangende Elemente 11b, die auf dem oberen Ring 20 ähnlich wie die Licht empfangenden Elemente 10b der am Rand befindlichen Positionsdetektoren 10 vorgesehen sind.
Die abwechselnde Anordnung der Detektoren 10 und 11 jeweils auf der oberen und unteren Seite der unteren Scheibe 23 und des unteren Rings 21 und der oberen Scheibe 22 und des oberen Rings 20 erleichtert das Erkennen des Schwanzes eines Versuchstiers M, das in den Käfig 1 eingesetzt ist, und verhindert eine Interferenz zwischen den Detektoren. Jedes Licht projizierende Element 10a der am Rand befindlichen Positionsdetektoren 10 ist so angeordnet, dar es einen Lichtstrahl parallel zu der Bodenwand 3 aus sendet. Die Höhe der Stehvorgang-Detektoren 11 kann entsprechend der Größe des Versuchstiers M eingestellt werden.
Die inneren peripherischen Positionsdetektoren 12 und die äußeren peripherischen Positionsdetektoren 13 besitzen Licht projizierende Elemente 12a und 13a, die in gleichen Winkelintervallen von 10º an der Deckplatte 24 angeordnet sind, und Licht empfangende Elemente 12b und 13b, die in gleichen Winkelintervallen von 10º an der Bodenplatte 25 angebracht sind, so dar sie den Licht projizierenden Elementen 12a und 13a jeweils entsprechen.
Infrarot-Photosensoren werden als Detektoren verwendet, um unnötige Reize auf das Versuchstier M zu vermeiden. Jedes Licht projizierende Element ist eine Infrarot-LED (Licht emittierendes Element) und jedes Licht empfangende Element ist ein Phototransistor.
Der Haltekäfig wird zum Drehen auf einem Trägerschaft 9 getragen, während die Detektoren in dem Gehäuse C stationär sind. Dementsprechend sind die Licht projizierenden Elemente und die Licht empfangenden Elemente der Detektoren 10, 11, 12 und 13 zu jeder Zeit miteinander ausgerichtet.
Die Detektionssignale, die von den 144 Detektoren (36 x 4) erzeugt werden, werden elektrisch abgetastet, so dar eine einfache Datenverarbeitungseinheit die Detektionssignale durch eine einfache Operation verarbeiten kann.
Die jeweils 36 Detektorsätze des am Rand befindlichen Positionsdetektors 10, des Stehvorgang-Detektors 11, des inneren peripherischen Positonsdetektors 12 und des äußerern peripherischen Positionsdetektors 13 auf dem gleichen Radius werden elektrisch abgetastet, um 36 Datensätze für einen Abtastzyklus zu erhalten, und die 36 Datensätze werden dann von einem Computer verarbeitet, um Daten zu erhalten, die die dreidimensionale Position des Versuchstiers M in einem Abtastzyklus darstellen. Dementsprechend wird die Bewegung des Versuchstiers M durch eine Vielzahl von Datenstücken bestimmt, die von dem Computer geliefert werden.
Die Beobachtung des Versuchstiers bei einem derartigen Abtastmodus, bei dem die Infrarot-LED's sequentiell zum Leuchten gebracht werden, kann mit einfacher Hardware und einfacher Software erreicht werden und erfordert wenig Energie.
Da das Versuchstier solchermaßen in jeder Position innerhalb des ringförmigen Halteraums in dem Käfig 1 detektiert werden kann, können Reaktionen des Versuchstiers auf Reize minutiös detektiert und durch Daten dargestellt werden.
Es ist möglich, dar die Detektion der Position des Versuchstiers wegen einer möglichen Interferenz zwischen den Detektoren durch Infrarotstrahlen, die von den Infrarot-LED's abgestrahlt werden, unmöglich ist, die aus der Diffusion der Infrarotstrahlen oder einer geringfügigen Versetzung der optischen Achsen der Detektoren resultiert, wenn die 144 Detektoren simultan betrieben werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden jedoch die 36 Detektorsätze jedes der vier Detektoren auf dem gleichen Radius sequentiell und einer auf einmal betrieben und daher wird die Detektionsfunktion von benachbarten Detektorsätzen nicht gegenseitig beeinflußt.
Um Interferenz zwischen den vier Detektoren jedes Satzes zu vermeiden, werden die vier Detektoren sequentiell entsprechend einem Zeitsignal getrieben, so daß der Phototransistor des Detektors, der nicht getrieben wird, kein Signal erzeugt, auch wenn infrarotes Licht auf ihn einfällt.
Bei dieser Ausführungsform hat die Datenverarbeitungseinheit nur vier Verstärker jeweils für 36 Detektoren.
Die vertikale Zickzack-Anordnung der Detektoren gewährleistet weitergehend die Verhinderung von Interferenz zwischen den Detektoren.

Claims

1. Beobachtungsgerät zur Beobachtung des Verhaltens von Versuchstieren, welches umfaßt:

- einen durchsichtigen Haltekäfig (1) mit zylindrischen äußeren und inneren Wänden (2, 4), die einen ringförmigen Halteraum (6) dazwischen festlegen,

- eine Mehrzahl von am Rand befindlichen Positionsdetektoren (10), die in gleichen Winkelabständen angeordnet sind und jeweils ein Licht projizierendes Element (10a) und ein Licht empfangendes Element (10b) aufweisen,

- eine Mehrzahl von Stehvorgang-Detektoren (11), die in gleichen Winkelabständen angeordnet sind und jeweils ein Licht projizierendes Element (11a) und ein Licht empfangendes Element (11b) aufweisen,

- eine Mehrzahl von inneren peripherischen Positionsdetektoren (12), die in gleichen Winkelabständen angeordnet sind und jeweils ein Licht projizierendes Element (12a) und ein Licht empfangendes Element (12b) aufweisen, und

- eine Mehrzahl von äußeren peripherischen Positionsdetektoren (13), die in gleichen Winkelabständen angeordnet sind und jeweils ein Licht projizierendes Element (13a) und ein Licht empfangendes Element (13b) aufweisen,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Licht projizierenden Elemente (10a) der am Rand befindlichen Positionsdetektoren (10) in einem Kreis entweder außerhalb der äußeren Wand (2) des Haltekäfigs (1) oder innerhalb der inneren Wand (4) des Haltekäfigs (1) angeordnet sind,

- die Licht empfangenden Elemente (10b) der am Rand befindlichen Positionsdetektoren (10) entsprechend in einem Kreis, gegenüber den entsprechenden Licht projizierenden Elementen (10a) entweder innerhalb der inneren Wand (4) des Haltekäfigs (1) oder außerhalb der äußeren Wand (2) des Haltekäfigs (1) angeordnet sind,

- die Licht projizierenden Elemente (11a) der Stehvorgang-Detektoren (11) in einem Kreis entweder außerhalb der äußeren Wand (2) des Haltekäfigs (1) oder innerhalb der inneren Wand (4) des Haltekäfigs (1) angeordnet sind,

- die Licht empfangenden Elemente (11b) der Stehvorgang-Detektoren (11) entsprechend in einem Kreis gegenüber den entsprechenden Licht projizierenden Elementen (11a) entweder innerhalb der inneren Wand (4) des Haltekäfigs (1) oder außerhalb der äußeren Wand (2) des Haltekäfigs (1) angeordnet sind,

- die Licht projizierenden Elemente (12a) der inneren peripherischen Positionsdetektoren (12) in einem Kreis entweder oberhalb oder unterhalb des Haltekäfigs (1) angeordnet sind,

- die Licht empfangenden Elemente (12b) der inneren peripherischen Positionsdetektoren (12) entsprechend in einem Kreis gegenüber den entsprechenden Licht projizierenden Elementen (12a) entweder unterhalb oder oberhalb des Haltekäfigs (1) angeordnet sind,

- die Licht projizierenden Elemente (13a) der äußeren peripherischen Positionsdetektoren (13) in einem Kreis entweder oberhalb oder unterhalb des Haltekäfigs (1) angeordnet sind und

- die Licht empfangenden Elemente (13b) der äußeren peripherischen Positionsdetektoren (13) entsprechend in einem Kreis gegenüber den entsprechenden Licht projizierenden Elementen (13a) entweder unterhalb oder oberhalb des Haltekäfigs (1) angeordnet sind.

2. Beobachtungsgerät nach Anspruch 1, wobei die am Rand befindlichen Positionsdetektoren (10) abwechselnd auf der oberen Seite und der unteren Seite einer horizontalen Ebene in einer vertikalen Zickzack-Anordung angeordnet sind und die Stehvorgang-Detektoren (11) abwechselnd auf der oberen Seite und der unteren Seite einer horizontalen Ebene in einer vertikalen Zickzack-Anordnung angeordnet sind.