JP2014132883A - 小動物用の実験装置、小動物用実験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】視覚刺激、触覚刺激を用いた認知課題に柔軟に対応可能な小動物用の実験装置を提供する。
【解決手段】回し車１２の回転中心に軸着された中心軸１９と、回し車１２に対して中心軸１２方向の両外側において当該中心軸を遊嵌した２枚のサイドプレート１４と、サイドプレート１４間に設けられた連結体１５とを有し、連結体１５上に一のサイドプレート１４ａから他のサイドプレート１４ｂにかけて少なくとも２種以上のテクスチャ１５ａ、１５ｂが施されたスライド回転体１３と、スライド回転体１３を中心軸１９方向に沿ってスライドさせるスライドフレーム１６と、スライドフレーム１６をへ駆動可能なエアシリンダー１１と、回し車１２の回転数を測定するエンコーダ５５とを備え、エアシリンダー１１は、スライドフレーム１６を駆動させ、当該スライドフレーム１６を介してスライド回転体１３をスライドさせてサイドプレート１４を回し車１２へ押圧させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えばラット、モルモット、マウス等の小動物を被検動物として実験を行う小動物用の実験装置、小動物用実験方法に関し、特に頭部を固定した状態で脳機能の測定を行う上で好適な小動物用の実験装置、小動物用実験方法に関する。

従来より、ラット、モルモット、マウス等を始めとした被検動物の触覚および触覚と認知情報処理との相互作用について神経生理学的に検討することを目的とした研究が行われている。具体的には、空腹あるいは口渇時のマウスについて、正反応時に報酬として餌あるいは飲料を与えることによって２種類の触覚刺激を区別させる弁別学習を行わせ、その際の脳内神経活動を神経生理学的に測定、分析するものである。

脳内神経活動を測定するためには、マウスの身体運動に伴う頭部や脳の振動を低減することが必要とされる。この点については、例えば特許文献１において、極力マウスの身体運動を極力軽減させつつ、脳内神経活動を測定する技術が開示されている。

この特許文献１の開示技術では、頭部が固定された状態におけるラットの右前肢に対応する位置にレバーを設置する。そして、音刺激に応じてラットにレバーを操作させ、報酬としてサッカリン水を該ラットに与える訓練を行うことにより弁別学習させる。このようなラットのレバー操作の過程において、電極の針を介して神経細胞からの電気応答を測定する。これにより、ラットの頭部を固定した状態で脳内神経活動を測定することが可能となる。

しかしながら、この特許文献１の開示技術によれば、マウスの身体活動をレバー押しのみと極度に抑制している。このため、実際のマウスの移動行動等のようなある程度の身体活動が行われている状態でにおいて、十分な時間的・空間的解像度を持つ測定を行うことができないという問題点があった。また被検動物への拘束性の増大は、単なる実験技術のみならず、動物福祉の面からも望ましくはない。

このような観点から、例えば非特許文献１の開示技術も提案されている。この非特許文献１の開示技術は、Harveyらのマウス用バーチャルリアリティ(ＶＲ)実験システムである。このシステムでは、例えば図１１に示すように空気流によって持ち上げて転がり抵抗を抑えた発泡スチロール性の球体７１の上部に足がつくようにマウスを配置し、マウスが運動することにより球体７１を動かし、この球体７１の動きによってマウスの運動をリアルタイムで計測し座標化する。そして、座標化された数値データを基に、装置の外部に設置された球面ディスプレイ７２に対して小型ＬＥＤプロジェクタ７３から疑似景色を投影し、マウスに走行感を与える。マウスは、この擬似景色を視認して目標に向かって走行するが、これに応じて球体が動き、この球体の動き量に応じて更にその擬似景色を変化させる。

この非特許文献１の開示技術において、著者のHarveyは、実際に迷路内を走行させて行う迷路学習とＶＲ空間内において行う仮想迷路学習が同様の神経活動を海馬で引き起こすことを明らかにしている。海馬は空間認知に主要な役割を果たす脳部位として知られており、Harveyらの結果は、開発したマウス用ＶＲ実験システム内で経験する空間知覚が実空間における空間知覚と類似したものであることを示している。このように、マウス用ＶＲ実験システムは画期的な技術であるが、より高次あるいは複雑な脳機能を研究する上では、解決すべき技術的問題がある。

即ち、このマウス用ＶＲ実験システムでは、マウスを球体上に配置することから、マウスの足は常に球面上にある。このため、球面ディスプレイ上に投影される景色が仮に床が平らな走路である場合には、実際にマウスが感じる路面と矛盾している。また、迷路学習が進むとマウスは直線的な走行反応を示すようになるが、球体上での身体運動はいわゆる“玉乗り”状態となり、走行の直進性を得ることが難しい。これらの問題は実験中のマウスに視覚的にも運動感覚的にも矛盾した感覚を生じさせている可能性がある。あたかも実空間で運動しているのと同様のデータを得るためには、ＶＲ空間と実空間をできる限り感覚的に矛盾しないように構成する必要がある。

更に、このマウス用ＶＲ実験システムでは、画面に投影される動画という視覚刺激が外界情報の中心をなしており、他の環境刺激、特に触覚刺激をマウスに与える仕組みが何ら考慮されていない。マウスは、外界認知を、視覚刺激のみならず触覚刺激に大きく依存しているため、実験装置も同様に、視覚刺激のみならず触覚刺激を用いた認知課題に柔軟に対応できるようにする必要があった。

特開２００８−２００００７号公報

Christopher D. Harvey et. al, Intracellular dynamics of hippocampal place cells during virtual navigation. Nature 461, 941-946 (2009)

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、高次あるいは複雑な脳機能を研究する観点から、ＶＲ空間と実空間をできる限り感覚的に矛盾しないように構成しつつ、視覚刺激のみならず触覚刺激を用いた認知課題に柔軟に対応可能な小動物用の実験装置、小動物用実験方法を提供することにある。

本発明を適用した小動物用の実験装置は、上述した課題を解決するために、回し車と、上記回し車の回転中心に軸着された中心軸と、上記回し車に対して上記中心軸方向の両外側において当該中心軸を遊嵌した２枚のサイドプレートと、上記サイドプレート間に設けられた連結体とを有し、上記連結体上に一のサイドプレートから他のサイドプレートにかけて少なくとも２種以上のテクスチャが施されたスライド回転体と、上記スライド回転体を上記中心軸方向に沿ってスライドさせるスライドフレームと、上記スライドフレームを上記中心軸方向へ駆動可能な駆動手段と、上記回し車の回転数を上記中心軸を介して測定する回転数測定手段とを備え、上記駆動手段は、上記回転数測定手段により測定された上記回し車の回転数が所定量に到達した場合に上記スライドフレームを上記中心軸方向へ駆動させ、当該スライドフレームを介して上記スライド回転体を上記中心軸方向に沿ってスライドさせて上記何れかのサイドプレートを上記回し車へ押圧させることにより、上記回し車の回転に応じて上記スライド回転体を一体的に回転可能とすることを特徴とする。

本発明を適用した小動物用の実験装置は、上述した課題を解決するために、回し車と、上記回し車の回転中心に軸着された中心軸と、上記回し車に対して上記中心軸方向の両外側において当該中心軸を遊嵌した２枚のサイドプレートと、上記サイドプレート間に設けられた連結体とを有し、上記連結体上に一のサイドプレートから他のサイドプレートにかけて少なくとも２種以上のテクスチャが施されたスライド回転体と、上記スライド回転体を上記中心軸方向に沿ってスライドさせるスライドフレームと、上記スライドフレームを上記中心軸方向へ駆動可能な駆動手段とを備え、上記駆動手段は、実験開始から所定時間経過後に上記スライドフレームを上記中心軸方向へ駆動させ、当該スライドフレームを介して上記スライド回転体を上記中心軸方向に沿ってスライドさせて上記何れかのサイドプレートを上記回し車へ押圧させることにより、上記回し車の回転に応じて上記スライド回転体を一体的に回転可能とすることを特徴とする。

本発明を適用した小動物用実験方法は、上述した課題を解決するために、回し車と、上記回し車の回転中心に軸着された中心軸と、上記回し車に対して上記中心軸方向の両外側において当該中心軸を遊嵌した２枚のサイドプレート及び上記サイドプレート間に設けられた連結体とを有してなるとともに上記連結体上に一のサイドプレートから他のサイドプレートにかけて少なくとも２種以上のテクスチャが施されたスライド回転体と、上記スライド回転体を上記中心軸方向に沿ってスライドさせるスライドフレームとを備える実験装置において被検動物を上記回し車の外周上で走行させることでこれを回転させ、上記回し車の回転数が所定量に到達した場合に、上記スライドフレームを上記中心軸方向へ駆動させ、当該スライドフレームを介して上記スライド回転体を上記中心軸方向に沿ってスライドさせて上記何れかのサイドプレートを上記回し車へ押圧させることにより、上記回し車の回転に応じて上記スライド回転体を一体的に回転させて上記被検動物を上記テクスチャ上で走行させることを特徴とする。

本発明を適用した小動物用実験方法は、上述した課題を解決するために、回し車と、上記回し車の回転中心に軸着された中心軸と、上記回し車に対して上記中心軸方向の両外側において当該中心軸を遊嵌した２枚のサイドプレート及び上記サイドプレート間に設けられた連結体とを有してなるとともに上記連結体上に一のサイドプレートから他のサイドプレートにかけて少なくとも２種以上のテクスチャが施されたスライド回転体と、上記スライド回転体を上記中心軸方向に沿ってスライドさせるスライドフレームとを備える実験装置において被検動物を上記回し車の外周上で走行させることでこれを回転させ、実験開始から所定時間経過後に、上記スライドフレームを上記中心軸方向へ駆動させ、当該スライドフレームを介して上記スライド回転体を上記中心軸方向に沿ってスライドさせて上記何れかのサイドプレートを上記回し車へ押圧させることにより、上記回し車の回転に応じて上記スライド回転体を一体的に回転させて上記被検動物を上記テクスチャ上で走行させることを特徴とする。

本発明によれば、バーチャルリアリティ（ＶＲ）を使用した仮想迷路を使って実験を行う際において、２種類のテクスチャを順次切り換えて、被検動物に対して触覚刺激を与えることが可能となる。しかも、本発明によれば、回し車や、スライド回転体のようにローラ状に構成された回転体上を走行させる構成とされており、従来技術の如き、球体上でいわゆる“玉乗り”状態になることが無くなる。その結果、被検動物は、このような回し車や、スライド回転体上を一方向に走行することが可能となり、走行の直進性を得ることが可能となる。このため、このような仮想迷路を用いる場合においても、被検動物に対して、視覚的にも運動感覚的にもあたかも実空間で運動しているのと同様の感覚を与えることができる。

実際に本発明を適用した実験装置に被検動物を走行させる際には、例えば頭部を固定して電極を埋め込むことにより、神経細胞からの電気応答を測定することで脳内神経活動を測定することが可能となる。このとき、実際に被検動物は、視覚的にも運動感覚的にもあたかも実空間で運動しているのと同様に振舞うことが可能となることから、十分な時間的・空間的解像度を持つ測定を行うことが可能となる。

即ち、本発明によれば、ＶＲ空間と実空間をできる限り感覚的に矛盾しないように構成しつつ、視覚刺激のみならず触覚刺激を用いた認知課題に柔軟に対応可能となり、ひいては高次あるいは複雑な脳機能を研究することが可能となる。

本発明に係る実験装置が適用されるマウス用バーチャルリアリティ(ＶＲ)実験システムの全体構成を示す斜視図である。 本発明に係る実験装置の正面図である。 本発明に係る実験装置の平面図である。 本発明に係る実験装置に適用されるスライド回転体の斜視図である。 本発明に係る実験装置に適用される圧着機構について説明するための図である。 マウス用ＶＲ実験システムにおける仮想迷路のイメージを示す図である。 （ａ）は、被検動物の回転に応じて回し車のみが回転する状態を示す図であり、（ｂ）は、スライド回転体が回し車と一体的に中心軸を回転する例を示す図である。 スライドフレームの移動に伴いスライド回転体もこれに伴って長手方向Ｐへと押圧される例を示す図である。 一のテクスチャ上を被検動物に対して走行させる場合における実験前の初期設定を示す図である。 本発明を適用した実験装置の動作例について説明するための図である。 従来技術の問題点について説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態として小動物を被検動物として実験を行う小動物用の実験装置について図面を参照しながら詳細に説明をする。

図１は、本発明に係る実験装置４が適用されるマウス用バーチャルリアリティ(ＶＲ)実験システム１の全体構成を示す斜視図である。このマウス用ＶＲ実験システム１は、実験装置４の周囲に設けられた球面スクリーン２と、この球面スクリーン２に対して映像を投影するプロジェクタ３と、実験装置４において被検動物６を観察するための顕微鏡５と、プロジェクタ３を介して表示すべき映像を生成してこれを制御するための制御装置７とを備えている。

球面スクリーン２は、曲面スクリーンの一種であり、半球状の投影面を有している。この球面スクリーン２の上部は開放されており、この開放された上部２ａを介して実験装置４のセッティングや被検動物６の設置、顕微鏡５を介した被検動物６の観察等を行うことが可能となる。このような球面スクリーンに対して外部からプロジェクタ３を介して映像を投影することにより、実験装置４において設置された被検動物は当該映像を視認することが可能となる。

プロジェクタ３は、制御装置７によって生成された映像情報に基づいて、球面スクリーン２に対して映像を照射する。実際に球面スクリーン２に対して映像を照射するため、映し出される映像が歪まないようする観点から、広角レンズ（魚眼レンズ）をプロジェクタに取り付けるようにしてもよい。このプロジェクタ３は、被検動物６から見た場合に前方に対して映像を照射するプロジェクタ３ａと、被検動物６から見た場合に側方に対して映像を照射するプロジェクタ３ｂとを有しているがこれに限定されるものではなく、プロジェクタ３ｂの構成を省略するようにしてもよい。

顕微鏡５は、球面スクリーン２における開放された上部２ａを介して被検動物６を観察するための装置である。顕微鏡５は、図示しない撮像機能が実装されていてもよく、この撮像された画像をメモリ等に記憶させて事後的な解析に用いるようにしてもよい。

被検動物６は、ラット、モルモット、マウス等の小動物である。これら被検動物は、高次あるいは複雑な脳機能を研究する上で被検体とされる動物である。このため、被検動物６の脳内神経活動を神経生理学的に測定するために、当該被検動物６は、頭部が固定された上で、頭部に埋め込んだ電極の針を介して神経細胞からの電気応答を測定可能な状態とされる場合もある。

制御装置７は、例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）等で構成され、プロジェクタ３を介して投影すべき映像を生成する。この制御装置７は、実験装置４に対して接続され、その実験装置４における様々な反応を受信して、それに応じて投影すべき映像を切り換える処理を行う。また、この制御装置７は、実験装置４に対する各種制御を実行する。

図２は実験装置４の正面図を、また図３はその平面図を示している。

実験装置４は、回し車１２と、回し車１２の回転中心に軸着された中心軸１９と、回し車１２を被包するように設けられたスライド回転体１３と、中心軸１９に沿ってこのスライド回転体１３の両外側に設けられたスライドフレーム１６と、スライドフレーム１６を駆動するためのエアシリンダー１１と、中心軸１９が挿通されるサイドプレート１７と、スライドフレーム１６の位置を検出するための位置センサ２６とを備えている。また、このスライド回転体１３とスライドフレーム１６の間には、圧着機構２１が設けられ、中心軸１９の終端には、この中心軸１９の回転量を測定するためのエンコーダ５５が設けられている。

回し車１２は、側面視で円形とされ、中心軸１９の長手方向に向けて所望の幅で構成された車体で構成されている。この回し車１２における外周上には被検動物６が設置される。回し車１２は、この外周上に設置された被検動物６が走行した場合に、これに応じて回転することになる。回し車１２を構成する材質は、金属、樹脂、セラミック等いかなるもので構成されていてもよいが、少なくとも被検動物６が滑らずに走行可能な摩擦係数からなる表面が形成されていることが望ましい。また、回し車１２は、マウスの脚力でも容易に回転させることができるように、塩化ビニル製とされていることで軽量化が図られていることが望ましい。更にこの回し車１２は、外周表面上を全て薄い塩化ビニルシートで被包した円柱状の構成とし、このシートの上に更に実験目的に合わせた床材を貼り付けることで被検動物６の走路として機能させるようにしてもよい。

中心軸１９は、回し車１２の回転中心に対して一体的に取り付けられている。即ち、回し車１２が回転した場合には、これに応じて中心軸１９も軸心を中心にして回転することとなる。この中心軸１９は、その両端がサイドプレート１７に挿通されて架設されている。中心軸１９は、その両側に位置するサイドプレート１７ａ、１７ｂを介して係止されることで、これに取り付けられている回し車１２がちょうど床面から離間した位置に浮かせた状態で固定することが可能となる。その結果、上述した回し車１２は、被検動物６の走行に応じて床面に接触することなく自由に回転させることが可能となる。なお、このサイドプレート１７ａ、１７ｂにおける中心軸１９が挿通される貫通穴には図示しないベアリングが介装され、中心軸１９の自由な回転を許容するように構成されていてもよい。

スライド回転体１３は、回し車１２に対して中心軸１９の長手方向の両外側において当該中心軸１９を遊嵌した２枚のサイドプレート１４ａ、１４ｂと、サイドプレート１４ａ、１４ｂ間に設けられた連結体１５とを有している。図４は、このスライド回転体１３の斜視図である。

サイドプレート１４ａ、１４ｂは、例えばアルミ製の金属板で構成され、それぞれ側面視において円形とされているが、これに限定されるものではない。サイドプレート１４ａ、１４ｂには、それぞれ孔部２３が穿設されており、この孔部２３に中心軸１９が挿通されている。ちなみに、この孔部２３の径は、中心軸１９の径よりも径大に構成されていることが前提であり、これによりこの中心軸１９におけるサイドプレート１４ａ、１４ｂへの遊嵌状態が実現されることとなる。なお、この孔部２３と中心軸１９との間には図示しないベアリングを設けるようにしてもよいが、かかる構成においても遊嵌と同様の機能を発揮しえるものである。このため、回し車１２の回転に応じて中心軸１９が普通に回転する場合には、これに遊嵌されているサイドプレート１４を介してスライド回転体１３は、これに一体となって回転しないこととなる。

２枚のサイドプレート１４ａ、１４ｂを架け渡すように配設された連結体１５は、複数本からなるステンレス製ジョイントで構成されていてもよいし、面板として構成されていてもよい。そして、この連結体１５の表面上には、２種のテクスチャ１５ａ、１５ｂが施されている。このテクスチャ１５ａ、１５ｂと連結体１５の間には、薄い塩化ビニルシートが介装されていてもよい。このテクスチャ１５ａ、１５ｂは、一のサイドプレート１４ａから他のサイドプレート１４ｂにかけて中心軸１９の長手方向に向けて順に配設されている。このテクスチャ１５ａ、１５ｂは、互いに異なる生地で構成されるのが前提となっている。即ち、このテクスチャ１５ａ、１５ｂは、被検動物６に対して触覚刺激を与えるためのものである。被検動物６は、このテクスチャ１５ａ、１５ｂ上を走行することにより、テクスチャ１５ａ、１５ｂそれぞれの生地に応じた触覚を得ることが可能となる。互いに異なる触覚刺激を与えることができるため、これを利用した各種実験を行うことも可能となる。

ちなみに、このテクスチャ１５ａ、１５ｂが施された連結体１５は、側面視でみた場合において、断面円形とされているサイドプレート１４における円周の一部又は略半分、或いは円周上１２０°分に亘り設けられる曲面板で構成される。中心軸１９にサイドプレート１４ａ、１４ｂが通常は遊嵌されていることから、連結体１５の自重により図４に示すように連結体１５が設けられている側がより下部に位置した状態で通常は静止することになる。

スライドフレーム１６は、断面コ字状の形態からなる金属製の部材で構成される。このスライドフレーム１６には、断面コ字を構成する互いに対向する金属片に図示しない貫通孔が穿設され、当該図示しない貫通孔に中心軸１９が貫通されてなる。そして、この断面コ字を構成する互いに対向する金属片は、それぞれスライド回転体１３を構成するサイドプレート１４ａ、１４ｂの中心軸１９の長手方向に向けた両外側に位置している。このようなスライドフレーム１６には、更にエアシリンダー１１が取り付けられている。このエアシリンダー１１の駆動に応じてスライドフレーム１６が中心軸１９の長手方向に向けて移動可能とされている。

エアシリンダー１１は、図示しないエアコンプレッサーから送出されてきたエアに基づき伸縮作動するシリンダである。このエアシリンダー１１に対してエアを送出するか否かの制御は、制御装置７による命令に基づいて実行していくことになる。即ち、制御装置７は、エアシリンダー１１の駆動を制御することが可能となることから、当該エアシリンダー１１を介してスライドフレーム１６を中心軸１９の長手方向に向けてスライドさせることが可能となる。また、スライドフレーム１６を当該中心軸１９の長手方向に向けてスライドさせた場合には、これに応じてスライド回転体１３における何れかのサイドプレート１４ａ、１４ｂに当接させてこれを押圧させることができ、ひいてはスライド回転体１３を中心軸１９の長手方向に向けて移動させることが可能となる。

位置センサ２６は、エアシリンダー１１の近傍に複数個に亘り設けられており、エアシリンダー１１やスライドフレーム１６、更にはスライド回転体１３等の位置を検出する。この位置センサ２６は、例えば赤外センサ等で構成されていてもよい。位置センサ２６により検出された情報は、制御装置７へと送信される。制御装置７は、位置センサ２６により検出された情報に基づいてエアシリンダー１１をフィードバック制御することが可能となる。これにより、エアシリンダー１１やスライドフレーム１６、更にはスライド回転体１３等を所望の位置に移動させたい場合に、当該所望の位置に位置センサ２６を設置しておき、当該位置センサ２６により、これらが検出されるまでエアシリンダー１１を駆動させることで位置調整を行うことが可能となる。

エンコーダ５５は、中心軸１９の終端に設けられ、当該中心軸１９の回転量を測定する。このエンコーダ５５によって測定された中心軸１９の回転量のデータは、制御装置７へと送信される。

圧着機構２１は、図５に示すように中心軸１９が挿通される軸受４１と、この軸受４１の端部に設けられた押さえプレート４２と、この押さえプレート４２とスライドフレーム１６との間に介装されている樹脂ワッシャー４３と、回し車１２における中心軸１９の長手方向外周に設けられたゴム板４４とを備えている。

軸受４１は、例えばベアリング等で構成される。この軸受４１に中心軸１９が挿通されることにより、当該中心軸１９は軸受４１に対して自由に回転することが可能となる。

押さえプレート４２は、中心軸１９が挿通されてなる。押さえプレート４２は、軸受４１と樹脂ワッシャー４３との間に介装されてなり、軸受４１から負荷される力、又はスライドフレーム１６側から軸受４１側に負荷される力に対して対向するように作用する。

樹脂ワッシャー４３は、例えばポリカーボネート等の樹脂から構成され、中心軸１９が挿通されてなる。この樹脂ワッシャー４３は、弾性材で構成されていることから、押さえプレート４２と、スライドフレーム１６から負荷される圧縮力を吸収する役割を担うと共に、何れか一方から衝撃力が負荷された場合にこれを吸収する役割を担う。

ゴム板４４は、当接面４４ａを介してサイドプレート１４ｂに当接可能な構成とされている。ゴム板４４の当接面４４ａには、サイドプレート１４ｂへの滑りを防止する観点から摩擦係数が大きくなるように表面粗さを増大させるようにしてもよい。このとき、細かいピッチの凹凸を当接面４４ａに当接させるようにしてもよいし、噛合い形状として構成するようにしてもよい。また、このゴム板４４と同様の構成を回し車１２に設ける代替として、サイドプレート１４ｂにおける回し車１２への当接面において設けるようにしてもよい。或いは、このゴム板４４と同様の構成を回し車１２に設けるとともに、サイドプレート１４ｂにおける回し車１２への当接面において設けるようにしてもよい。かかる場合には、互いに当接させるゴム板４４の当接面それぞれについて噛合い形状を施すことで、互いの滑りをより一層強固に防止することが可能となる。

このような圧着機構２１が、サイドプレート１４ｂ側のみならず、サイドプレート１４ａ側にも同様に設けられている。

次に本発明を適用したマウス用ＶＲ実験システム１による実験動作について説明をする。

このマウス用ＶＲ実験システム１では、被検動物６に対して仮想的に迷路内を走行させて行う仮想迷路学習を行う。そして、このマウス用ＶＲ実験システム１は、ＶＲ空間内において行う仮想迷路学習を通じて高次あるいは複雑な脳機能を研究する上で使用される。

図６は、このマウス用ＶＲ実験システム１における仮想迷路５１のイメージを示している。この仮想迷路５１は途中で２方向に枝分かれした通路で構成されており、その枝分かれした通路の末端がそれぞれ箇所Ａ、Ｂとされている。そして、この箇所Ａ、Ｂの何れかに被検動物６用のエサ又は飲料が載置されているという想定である。この枝分かれの直前に被検動物６は、テクスチャ５２上を走行することとなる。このテクスチャ５２を介して被検動物６は触覚刺激を得ることとなる。この触覚刺激を通じて被検動物６に学習をさせることができる。例えばテクスチャ５２ａを設置した場合には、箇所Ａにエサ又は飲料が載置されており、テクスチャ５２ｂを設置した場合には箇所Ｂにエサが載置されているものとする。このような組み合わせでテクスチャ５２とエサ又は飲料を設置し、空腹状態にある被検動物６に対して仮想迷路５１上で何度も走行させる。その結果、被検動物６は、何れのテクスチャ５２ａ、５２ｂであった場合に何れの箇所Ａ、Ｂに進めばエサ又は飲料があるかを学習していくこととなる。

次にこの学習させた被検動物６に、何れかのテクスチャ５２ａ、５２ｂ上を走行させる。その結果、被検動物６は、何れのテクスチャ５２ａ、５２ｂの場合に、何れの箇所Ａ、Ｂに進めばエサ又は飲料があるかを学習していることから、当該被検動物６が実際に走行したテクスチャ５２に応じて自分が学習した方向に進んでいくことになる。その際に、実際に被検動物６の脳内神経活動を神経生理学的に測定、分析していく。

従来においては、実際に図６に示すような迷路を作って被検動物６の実験を行っていたが、本発明では、これらの実験をバーチャルリアリティ（ＶＲ）を使用した仮想迷路５１と、実験装置４とを用いて行っていくことになる。

仮想迷路５１は、上述したプロジェクタ３により、球面スクリーン２に対して映像を投影することにより作り出していく。このとき、制御装置７は、被検動物６が回し車１２やスライド回転体１３の外周上を走行させることによりこれらを回転させた場合に、その回転量に応じて表示すべき映像を変化させる。具体的には、迷路内を進んでいるかのように３次元的に表現した映像を変化させる。被検動物６は、この球面スクリーン２に映し出されている仮想迷路５１を視認することにより、あたかも自分が視覚的に実際の迷路の中で走行している感覚を得ることができる。

また、上述した図６に示すテクスチャ５２を含む経路は、実験装置４において作り出していく。ちなみに図２は、テクスチャ１５ａ、１５ｂのうち、テクスチャ１５ｂ上を被検動物６に対して走行させる場合における実験前の初期設定を示している。この図２を見ると分かるように、スライド回転体１３におけるテクスチャ１５ｂが中心軸１９の長手方向において回し車１２と重なるように予め位置調整されている。これに加えて、回し車１２と、スライド回転体１３におけるサイドプレート１４ｂとの間には間隙が設けられている。この状態で、回し車１２の上に被検動物６を載置し、実験を開始する。

先ず回し車１２に載置された被検動物６が走行を開始する。上述したように回し車１２は、中心軸１９に対して軸着されており、その中心軸１９は、サイドプレート１７ａ、１７ｂに架設されているものの自由な回転が許容されている。このため、被検動物６の走行に応じて、回し車１２が回転し、これに応じて中心軸１９も回転する。この状態では、図７（ａ）に示すように被検動物６の回転に応じて回し車１２が回転するに過ぎず、スライド回転体１３は、回し車１２に対して離間しており、しかも中心軸１９に対して離間しているに過ぎないことから、当該スライド回転体１３の回転に対して一体となって回転しない。その結果、図７（ａ）に示すように連結体１５（テクスチャ１５ｂ）は、その重みにより下側に位置して静止していることになる。

そして、この被検動物６の走行に伴い、回し車１２が回転した場合には、当該回し車１２の回転量（中心軸１９の回転量）がエンコーダ５５により測定される。そして、このエンコーダ５５により測定された回転量は、制御装置７に送られる。制御装置７は、この送られてきた回転量が所定量まで到達した場合にエアシリンダー１１にエアを送出する命令を出す。つまりこのエアを送出する指示を出す回転量というのが、図６でいうところのテクスチャ５２の前までの直線経路に相当する。

エアシリンダー１１にエアが送出された場合には、スライドフレーム１６が中心軸の長手方向Ｐへと移動する。その結果、図８に示すように、このスライドフレーム１６の移動に伴いスライド回転体１３もこれに伴って長手方向Ｐへと押圧され、ひいてはスライド回転体１３を当該長手方向Ｐに向けて移動させることが可能となる。そして、このスライド回転体１３におけるサイドプレート１４ｂは、回し車１２へと当接され、更にスライドフレームから長手方向Ｐへの押圧力が作用することから、回し車１２とサイドプレート１４は互いに押圧力が発生した状態で当接された、いわば圧接された状態となっている。

かかる状態で被検動物６が回し車１２上を走行すると、回し車１２の回転に応じて、これに圧接されたスライド回転体１３も、当該回し車１２と一体的に回転させることが可能となる。このとき、上述したゴム板４４をサイドプレート１４ｂ及び／又は回し車１２の側面に貼り付けておくことにより、互いに滑りを強固に防止できる。その結果、回し車１２とスライド回転体１３とを互いに強固に圧着させることができ、回し車１２に回転に応じてスライド回転体１３が滑ることなく一体に回転させることが可能となる。

その結果、図７（ｂ）に示すようにスライド回転体が回し車１２と一体的に中心軸１９を回転することにより、テクスチャ１５ｂが施された連結体１５も中心軸１９を中心にして回転することになる。被検動物６に対して連結体１５が徐々に近接し、更に被検動物６が走行すると、連結体１５は被検動物６のところまで到達する。被検動物６は、この回し車１２から連結体１５に容易に移動することが可能となる。連結体１５に容易に移動した被検動物６は、この連結体１５の表面に施されたテクスチャ１５ｂ上を走行することにより、触覚を介してこのテクスチャ１５ｂの生地からの刺激を受けることが可能となる。

図９は、テクスチャ１５ａ、１５ｂのうち、テクスチャ１５ａ上を被検動物６に対して走行させる場合における実験前の初期設定を示している。この図９を見ると分かるように、スライド回転体１３におけるテクスチャ１５ａが中心軸１９の長手方向において回し車１２と重なるように予め位置調整されている。これに加えて、回し車１２と、スライド回転体１３におけるサイドプレート１４ａとの間には間隙が設けられている。この状態で、回し車１２の上に被検動物６を載置し、実験を開始する。

先ず回し車１２に載置された被検動物６が走行を開始する。上述したように回し車１２は、中心軸１９に対して軸着されており、その中心軸１９は、サイドプレート１７ａ、１７ｂに架設されているものの自由な回転が許容されている。このため、被検動物６の走行に応じて、回し車１２が回転し、これに応じて中心軸１９も回転する。この状態では、同様に図７（ａ）に示すように被検動物６の回転に応じて回し車１２が回転するに過ぎず、スライド回転体１３は、回し車１２に対して離間しており、しかも中心軸１９に対して離間しているに過ぎないことから、当該スライド回転体１３の回転に対して一体となって回転しない。

そして、この被検動物６の走行に伴い、回し車１２が回転し、所定の回転量に到達した場合には、エアシリンダー１１にエアを送出する命令を出す。

エアシリンダー１１にエアが送出された場合には、スライドフレーム１６が中心軸の長手方向Ｐと反対方向へと移動する。その結果、図１０に示すように、スライドフレーム１６の移動に伴いスライド回転体１３もこれに伴って長手方向Ｐと反対方向へと押圧され、ひいてはスライド回転体１３を当該長手方向Ｐと反対方向に向けて移動させることが可能となる。そして、このスライド回転体１３におけるサイドプレート１４ａは、回し車１２へと当接され、更にスライドフレーム１６から長手方向Ｐと反対方向への押圧力が作用することから、回し車１２とサイドプレート１４ａは互いに押圧力が発生した状態で当接された、いわば圧接された状態となっている。

かかる状態で被検動物６が回し車１２上を走行すると、回し車１２の回転に応じて、これに圧接されたスライド回転体１３も、当該回し車１２と一体的に回転させることが可能となる。このとき、上述したゴム板４４をサイドプレート１４ｂ及び／又は回し車１２の側面に貼り付けておくことにより、互いに滑りを強固に防止できる。その結果、回し車１２とスライド回転体１３とを互いに強固に圧着させることができ、回し車１２に回転に応じてスライド回転体１３が滑ることなく一体に回転させることが可能となる。

その結果、図７（ｂ）に示すようにスライド回転体１３が回し車１２と一体的に中心軸１９を回転することにより、テクスチャ１５ａが施された連結体１５も中心軸１９を中心にして回転し、連結体１５の表面に施されたテクスチャ１５ａ上を走行することにより、触覚を介してこのテクスチャ１５ａの生地からの刺激を受けることが可能となる。しかも、テクスチャ１５ａ、テクスチャ１５ｂの切換もエアシリンダー１１を制御することで容易に実現することが可能となる。

このように、本発明によれば、バーチャルリアリティ（ＶＲ）を使用した仮想迷路５１を使って実験を行う際において、２種類のテクスチャ１５ａ、１５ｂを順次切り換えて、被検動物６に対して触覚刺激を与えることが可能となる。しかも、本発明によれば、回し車１２や、スライド回転体１３のようにローラ状に構成された回転体上を走行させる構成とされており、従来技術の如き、球体上でいわゆる“玉乗り”状態になることが無くなる。その結果、被検動物６は、このような回し車１２や、スライド回転体１３上を一方向に走行することが可能となり、走行の直進性を得ることが可能となる。このため、このような仮想迷路５１を用いる場合においても、被検動物６に対して、視覚的にも運動感覚的にもあたかも実空間で運動しているのと同様の感覚を与えることができる。

実際に本発明を適用した実験装置４に被検動物６を走行させる際には、例えば頭部を固定して電極を埋め込むことにより、神経細胞からの電気応答を測定することで脳内神経活動を測定することが可能となる。このとき、実際に被検動物６は、視覚的にも運動感覚的にもあたかも実空間で運動しているのと同様に振舞うことが可能となることから、十分な時間的・空間的解像度を持つ測定を行うことが可能となる。

即ち、本発明によれば、ＶＲ空間と実空間をできる限り感覚的に矛盾しないように構成しつつ、視覚刺激のみならず触覚刺激を用いた認知課題に柔軟に対応可能となり、ひいては高次あるいは複雑な脳機能を研究することが可能となる。

なお、本発明を適用した実験装置４では、回し車１２の回転量が所定量まで到達した場合にエアシリンダー１１にエアを送出する制御を行い、スライドフレーム１６を駆動させるものであるが、これに限定されるものではない。その代替として、実験開始から所定時間経過後にエアシリンダー１１にエアを送出する制御を行い、スライドフレーム１６を駆動させるものであってもよい。

また、本発明を適用した実験装置４では、上記サイドプレート１４ａ、１４ｂをゴム板４４を介して回し車１２へ押圧させる場合を例に取り説明をしたが、これに限定されるものではない。ゴム板４４の構成自体を省略することにより、スライド回転体１３を中心軸１９の長手方向に沿ってスライドさせて何れかのサイドプレート１４ａ、１４ｂを回し車１２へ押圧させるものであれば、よく、これによっても、回し車１２の回転に応じてスライド回転体１３を一体的に回転させることが可能となる。

１ 実験システム
２ 球面スクリーン
３ プロジェクタ
４ 実験装置
５ 顕微鏡
６ 被検動物
７ 制御装置
１１ エアシリンダー
１２ 回し車
１３ スライド回転体
１４ サイドプレート
１５ 連結体
１５ａ、１５ｂ テクスチャ
１６ スライドフレーム
１７ サイドプレート
１９ 中心軸
２１ 圧着機構
２３ 孔部
２６ 位置センサ
４１ 軸受
４２ プレート
４３ 樹脂ワッシャー
４４ ゴム板
５１ 仮想迷路
５２ テクスチャ
５５ エンコーダ

Claims (10)

1. 回し車と、
   上記回し車の回転中心に軸着された中心軸と、
   上記回し車に対して上記中心軸方向の両外側において当該中心軸を遊嵌した２枚のサイドプレートと、上記サイドプレート間に設けられた連結体とを有し、上記連結体上に一のサイドプレートから他のサイドプレートにかけて少なくとも２種以上のテクスチャが施されたスライド回転体と、
   上記スライド回転体を上記中心軸方向に沿ってスライドさせるスライドフレームと、
   上記スライドフレームを上記中心軸方向へ駆動可能な駆動手段と、
   上記回し車の回転数を上記中心軸を介して測定する回転数測定手段とを備え、
   上記駆動手段は、上記回転数測定手段により測定された上記回し車の回転数が所定量に到達した場合に上記スライドフレームを上記中心軸方向へ駆動させ、当該スライドフレームを介して上記スライド回転体を上記中心軸方向に沿ってスライドさせて上記何れかのサイドプレートを上記回し車へ押圧させることにより、上記回し車の回転に応じて上記スライド回転体を一体的に回転可能とすること
   を特徴とする小動物用の実験装置。
2. 回し車と、
   上記回し車の回転中心に軸着された中心軸と、
   上記回し車に対して上記中心軸方向の両外側において当該中心軸を遊嵌した２枚のサイドプレートと、上記サイドプレート間に設けられた連結体とを有し、上記連結体上に一のサイドプレートから他のサイドプレートにかけて少なくとも２種以上のテクスチャが施されたスライド回転体と、
   上記スライド回転体を上記中心軸方向に沿ってスライドさせるスライドフレームと、
   上記スライドフレームを上記中心軸方向へ駆動可能な駆動手段とを備え、
   上記駆動手段は、実験開始から所定時間経過後に上記スライドフレームを上記中心軸方向へ駆動させ、当該スライドフレームを介して上記スライド回転体を上記中心軸方向に沿ってスライドさせて上記何れかのサイドプレートを上記回し車へ押圧させることにより、上記回し車の回転に応じて上記スライド回転体を一体的に回転可能とすること
   を特徴とする小動物用の実験装置。
3. 上記駆動手段は、上記スライド回転体における何れかのテクスチャが上記中心軸方向において上記回し車と重なるように予め位置調整されていること
   を特徴とする請求項１又は２記載の小動物用の実験装置。
4. 上記サイドプレートをゴム板を介して上記回し車へ押圧させることにより滑りを防止可能とされていること
   を特徴とする請求項３記載の小動物用の実験装置。
5. 上記回し車に対面するように設けられたスクリーンと、
   上記スクリーンに対して映像を表示する映像表示手段とを更に備え、
   上記映像表示手段は、頭部が固定された被検動物が回し車又は上記スライド回転体の外周上を走行させることによりこれらを回転させた場合に、その回転量に応じて表示すべき映像を変化させること
   を特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項記載の小動物用の実験装置。
6. 回し車と、上記回し車の回転中心に軸着された中心軸と、上記回し車に対して上記中心軸方向の両外側において当該中心軸を遊嵌した２枚のサイドプレート及び上記サイドプレート間に設けられた連結体とを有してなるとともに上記連結体上に一のサイドプレートから他のサイドプレートにかけて少なくとも２種以上のテクスチャが施されたスライド回転体と、上記スライド回転体を上記中心軸方向に沿ってスライドさせるスライドフレームとを備える実験装置において被検動物を上記回し車の外周上で走行させることでこれを回転させ、
   上記回し車の回転数が所定量に到達した場合に、上記スライドフレームを上記中心軸方向へ駆動させ、当該スライドフレームを介して上記スライド回転体を上記中心軸方向に沿ってスライドさせて上記何れかのサイドプレートを上記回し車へ押圧させることにより、上記回し車の回転に応じて上記スライド回転体を一体的に回転させて上記被検動物を上記テクスチャ上で走行させること
   を特徴とする小動物用実験方法。
7. 回し車と、上記回し車の回転中心に軸着された中心軸と、上記回し車に対して上記中心軸方向の両外側において当該中心軸を遊嵌した２枚のサイドプレート及び上記サイドプレート間に設けられた連結体とを有してなるとともに上記連結体上に一のサイドプレートから他のサイドプレートにかけて少なくとも２種以上のテクスチャが施されたスライド回転体と、上記スライド回転体を上記中心軸方向に沿ってスライドさせるスライドフレームとを備える実験装置において被検動物を上記回し車の外周上で走行させることでこれを回転させ、
   実験開始から所定時間経過後に、上記スライドフレームを上記中心軸方向へ駆動させ、当該スライドフレームを介して上記スライド回転体を上記中心軸方向に沿ってスライドさせて上記何れかのサイドプレートを上記回し車へ押圧させることにより、上記回し車の回転に応じて上記スライド回転体を一体的に回転させて上記被検動物を上記テクスチャ上で走行させること
   を特徴とする小動物用実験方法。
8. 上記スライド回転体における何れかのテクスチャが上記中心軸方向において上記回し車と重なるように予め位置調整すること
   を特徴とする請求項５又は６記載の小動物用実験方法。
9. 上記何れかのサイドプレートをゴム板を介して上記回し車へ押圧させることにより滑りを防止可能としていること
   を特徴とする請求項３記載の小動物用実験方法。
10. 頭部が固定された被検動物が回し車又は上記スライド回転体の外周上を走行させることによりこれらを回転させた場合に、その回転量に応じて回し車に対面するように設けられたスクリーンへ表示する映像を切り換えること
    を特徴とする請求項５〜７のうち何れか１項記載の小動物用実験方法。

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