JP4399476B2 - 小動物の行動検出方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、飼育ケージ内に於けるマウスやラット等の小動物の飲水頻度や、摂食行動、自発運動、睡眠等の生理学的な行動を無侵襲で計測するようにした小動物の行動検出方法とその装置の改良に関するものである。

動物実験は、新しい医療方法や医薬品の開発並びに開発された医療方法や医薬品を人間に適用する上で欠くことの出来ないステップであり、今日その必要性と重要性は益々増加しつつある。
ところで、薬学や病理学等の分野では、従前からマウス等の小動物の行動を指標にして開発された新薬の実証試験が多く行われている。また、前記小動物の行動変化の観察（又は計測）は、一般にイ．目視やビデオ録画による方法、或いはロ．小動物にセンサを装着する方法等により行われている。

しかし、目視やビデオ録画による観察方法は、多くの人手を必要とするうえデータの取得に時間がかかると云う問題がある。また、後者のビデオ録画による観察の場合には、カメラの位置によっては小動物の行動を観察できないと云う問題がある。
更に、センサ装着方式の場合は、マウス等の小動物にとっては自然な状態でないため、所謂馴化に長時間を必要とするうえ、小動物に過度のストレスを与えるという問題がある。

一方、上述の如き問題に対処するため、図１１に示すように振動検出用の変位センサＡを取り付けした飼育ケージ載置台Ｂの上に、小動物Ｍを入れた飼育ケージＣを載置し、小動物Ｍの活動による変位センサＡの振動を周波数解析装置Ｄへ入力する。そしてこの周波数解析装置Ｄに於いて、小動物Ｍの特定行動時（例えば掻爬行動時等）における周波数と強度の標準パターンＰｓを求めると共に、当該小動物Ｍの定常的な行動時における周波数と強度の標準パターンＰａを求め、所定時間に亘る定常行動時の標準パターンＰａ中に特定行動時の標準パターンＰｓが何回行われたかを、演算表示装置Ｅに表示するようにしたものである。

前記図１１に示した技術は、例えば皮膚炎を発症したマウスに新薬を投与した場合の効果、即ち一定時間内における掻爬動作回数の増減等を自動的に計測することができ、掻痒のメカニズムや新しい薬物の探索を行ううえで、優れた実用的効用を奏するものである。

しかし、図１１に示した新技術にも多くの解決すべき問題が残されている。先ず、第１の問題は、振動検出用変位センサＡによる定常活動時の標準パターンＰａと、特定活動時の標準パターンＰｓの検出が不安定であり、両活動時の標準パターンＰａ・Ｐｓの峻別が明確に行えないと云う点である。
即ち、図１１に於いては、変位センサＡを固定した飼育ケージ載置台Ｂの上に飼育ケージＣを載置する構成としているため、小動物Ｍの行動に起因する振動は、飼育ケージＣ及び飼育ゲージ載置台Ｂを介して変位センサＡへ伝達されるため、振動の伝達特性が相対的に低く、結果として高精度な振動検出が出来ないと云うことになる。

第２の問題点は、定常活動時の標準パターンＰａが個々の小動物Ｍについて一定でない場合には、特定行動時の標準パターンＰｓを求めるのに多くの手数を要するという点である。
即ち、飼育ケージＣ内の小動物の定常活動時（例えば掻爬動作以外の通常の動作をしている時）の標準パターンＰａは、各飼育ケージＣの小動物Ｍ毎に一定でない。そのため、図１１の技術では、標準パターンＰｓのヒストグラム（即ち非掻爬時の周波数解析の結果である周波数と強度との関係）が、必ず掻爬動作時の周波数ピーク（２０Ｈｚ）を含まないものになるとは限らず、同種の小動物Ｍであっても、場合によっては定常行動時のヒストグラムに、掻爬動作時の２０Ｈｚの周波数ピークが含まれることがあり、掻爬動作の検出精度が低下すると共に、検出精度の向上を図るためには、周波数解析装置Ｄの構成が大幅に複雑化することになる。

国際公開 ＷＯ ０１／０３３９５３

本発明は、従前のこの種小動物の行動検出装置に於ける上述の如き問題、即ち、イ．飼育ケージＢと飼育ケージ載置台Ｃとが別体になっており、且つ飼育ケージ載置台Ｃに変位センサＡを固定する構成としているため、小動物Ｍの特定行動の検出精度が低いうえ、特定行動の検出そのものが不安定になり易いこと、及び、ロ．個々の小動物Ｍの定常活動時における行動の内容が大きく異なる場合には、多数の小動物Ｍの特定活動を高精度で検出することが困難で、検出装置の製造コストが上昇したり、検出装置のメンテナンスに多数の手数を要すること等の問題を解決せんとするものであり、より安価な検出装置でもって、多数の小動物Ｍの特定行動を高精度で検出出来るようにした小動物Ｍの行動検出方法とこれに用いる検出装置を提供せんとするものである。

而して、本願出願人は先に、図１２（ａ）及び（ｂ）に示す如き従前の加速度計や振動計とは構造・機能を全く異にする超音波振動検知センサを用いた超音波計測装置を開発し、これを公開している（特開２００３−３１５０３０号）。
この超音波計測装置は、超音波振動センサ部Ｆと制御部Ｇとから構成されており、これをベッドＨに取り付け、人の状態の変化（振動状態の変化）を超音波センサ部Ｆによって検出し、これを制御部Ｇで解析して人の状態の正常、異常を判別するものである。また、超音波振動センサ部Ｆは容器本体１と、その内部に密封された液体２と、液体２中へ超音波ｃを送信し、液面で反射された超音波ｄを受信する超音波振動子３とから構成されており、超音波振動センサ部Ｆの固有振動の周波数を容器の内径と内部に密封した液体の高さにより任意に設定でき、極めて構造の簡単な安価に製造できるものである。

また、この超音波計測装置は、小動物等の飼育ケージＣの箱体４に支持金具６を取付て、任意の固有振動の周波数をもった飼育ケージＣを構成し、上記超音波振動センサ部Ｆの固有振動の周波数を飼育ケージＣの固有振動の周波数に一致させて、小動物の行動による飼育ケージＣの振動成分の中で最も大きな振幅で揺れる固有振動の周波数成分を、共振によって効果的に検出するようにしているために高い振動検知性能を有しており、保守管理も比較的簡単に行えると云う優れた特性を有するものである。

今、超音波振動センサの容器形状を図１３に示すような円筒型タンクとすると、超音波振動センサ部Ｆは、容器本体１の内径Ｒと封入する流体２の量から、式（１）によってその固有振動周波数を任意の周波数に設定することができる。
Ｗ²＝１．８４ｇ／Ｒ・ｔａｎｈ（１．８４ｈ／Ｒ）・・・（１）
但し、Ｒは円筒型容器本体１の内部の直径、ｈは液面の高さ、ｗは２πｆ、ｆは固有振動周波数である。また、この円筒型容器本体１の内径Ｒは容器の材質と液体の種類によって発生する表面張力のため実際には容器内径よりも小さい値となる。

図１４は、に飼育ケージＣを揺らしたときの速度センサにより振動を検出した結果を示すものである。
また、図１５は、飼育ケージＣの振動を速度センサと、容器の材質と内径、液体の種類を選定して固有振動の周波数を７Ｈｚに設定した超音波振動センサＦとで同時に検出したときの、各センサが検出した振動の周波数成分を解析した結果を示すものである。図１５からも明らかなように、飼育ケージＣの固有振動の周波数が７Ｈｚ付近であるとき、超音波振動センサＦの固有振動周波数も７Ｈｚとなっていることを確認でき、飼育ケージＣの振動を効果的に検出できることが判る。

本願発明者は、前記小動物の行動検出装置に於ける問題点の解決に当たり、上記超音波振動センサ部Ｆの適用を着想し、マウスケージへ超音波振動センサ部Ｆを着脱自在に直接固定すると共に、当該超音波振動センサ部Ｆにより検出した振動と、マウスケージ内のマウスの活動状態（即ち、行動状態）との間に、何等かの相関関係が存在するか否かを、振動の波形の変動状態とビデオ録画画面とを対比することにより調査した。

具体的には、超音波振動センサ部Ｆをマウスケージの上壁中央へ支持金具を介して直接に取付固定し、超音波振動センサ部Ｆから０．０２秒毎に振動検知信号（電圧値）を連続して９時間検出すると共に、制御部Ｇを介して２秒毎にＰ−Ｐ値の時系列データをパソコン（図示省略）へ取り込み、解析ソフトを用いて、時系列的な振動変化の状態（横軸を時間、縦軸を振幅とする波形）をチェックした。
また、同時に、ケージ内のマウスの動作（睡眠、走行運動、静止（休息）等）状態を、ＶＴＲにより９時間連続的に観察し、前記超音波センサ部Ｆにより検出した振動の変化とＶＴＲの記録画面とを、時刻スケールを合致せしめて対比した。

その結果、マウスの定常活動（静止及び走行状態）と睡眠状態とは当該超音波振動センサ部Ｆからの検出振動により明確に判別できることが判った。

本願発明は、超音波振動センサ部Ｆを用いた上述の如き各種の基礎試験から得られた知見を基にして創作されたものであり、請求項１の発明は、支持金具を取り付けした箱体から成る任意の固有振動を有する小動物等の飼育ケージと、前記支持金具を介して着脱自在に飼育ケージへ固定され、当該飼育ケージの固有振動を共振によって効果的に検出するためその固有振動周波数を任意に設定可能とした超音波振動センサ部と、超音波振動センサ部からの受信信号が入力される制御部Ｇと、制御部Ｇからの検出信号に基づいて演算並びに表示をするコンピュータ部Ｐとから構成され、前記制御部Ｇにおいて、受信信号の一定時間毎の最大振幅値をＡ／Ｄ変換して時系列データを生成し、当該Ａ／Ｄ変換した時系列データに基づいて、一定時間毎に最大値と最小値の差であるＰ−Ｐ値に変換したＰ−Ｐ値の時系列データを得ると共に、当該Ｐ−Ｐ値時系列データを移動平均により平滑化を行い、また、前記コンピュータ部Ｐに於いて適宜の下限閾値と上限閾値とをＰ−Ｐ値の時系列データに適用して、当該上限及び下限の各閾値により、小動物の各種行動状態を自動判別する構成としたことを発明の基本構成とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明に於いて、制御部Ｇに於いて、受信信号の最大振幅値を０．０２秒毎にＡ／Ｄ変換して時系列データを得るようにしたものである。

請求項３の発明は、請求項１の発明に於いて、制御部Ｇに於いて、Ａ／Ｄ変換をした時系列データに基づいて、２秒毎にＰ−Ｐ値の時系列データを求めるようにしたものである。

請求項４の発明は、請求項１の発明に於いて、制御部Ｇに於いて、Ｐ−Ｐ値の時系列データに移動平均による平滑化を行うようにしたものである。

請求項５の発明は、請求項１の発明において、上限及び下限の各閾値により、小動物の静止、活動及び睡眠の各状態を判別するようにしたものである。

請求項６の発明は、小動物の飼育ケージＣに超音波振動センサ部Ｆを固定し、当該超音波振動センサ部Ｆにより検出した小動物の活動に基づく飼育ケージＣの振動を制御部Ｇへ入力し、当該制御部Ｇに於いて、先ず受信信号の一定時間毎の最大振幅値をＡ／Ｄ変換して時系列データを生成し、次に、当該Ａ／Ｄ変換した時系列データに基づいて一定時間毎に最大値と最小値差Ｐ−Ｐ値に変換したＰ−Ｐ値の時系列データを生成し、その後、前記Ｐ−Ｐ値の時系列データを移動平均により平滑し、更に、前記コンピュータ部において、適宜の下限閾値と上限閾値を前記Ｐ−Ｐ値の時系列データに適用して、当該上限閾値及び下限閾値により飼ケージＣ内の小動物Ｍの活動状態を自動検知することを発明の基本構成とするものである。

請求項７の発明は、請求項６の発明に於いて、検出する小動物の行動を、静止状態と活動状態と睡眠状態とするようにしたものである。

本発明に於いては、超音波振動センサ部Ｆが共振によって高感度で検出できる振動周波数を飼育ケージＣの固有振動の周波数に設定し、超音波振動センサ部Ｆを直接に飼育ケージＣへ固定するようにしているため、小動物Ｍの活動による飼育ケージＣの振動をより高能率で検出することが出来、振動検出性能の大幅な向上を図ることが出来る。
また、本発明に於いては、超音波振動センサ部Ｆを振動検出用センサとして使用しているため、従前の電気的な変位センサを使用する場合に比較して、製造コストや保守管理費の大幅な削減が可能となる。
更に、本発明に於いては、制御部Ｇに於いてＡ／Ｄ変換やＰ−Ｐ値変換、移動平均による平滑化等のデータ処理を行っているため、小動物の生態（活動状態）を極めて簡易なデータ処理により検出することができる。
加えて、コンピュータ部における上・下限閾値の設定を適宜に変えることにより、より細かな小動物の活動状態を判別することが可能となる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は、飼育ケージＣに振動検知用の超音波振動センサ部Ｆを取り付けした状態を示す斜面図である。飼育ケージＣは３．５ｍｍφの銅線を用いて立方体（３００^L×４００^W×２００^H）状の箱体４に形成されており、その上部開放部には３．５ｍｍφの金属線により形成した蓋体５が開閉自在に固定されている。

また、超音波振動センサ部Ｆは箱体４の上壁面４ａの非開放部にＬ型の支持金具６を介して取り付け固定されており、Ｌ型支持金具６の水平板部６ａは、上壁面４ａの非開放部へ挟持板を介してボルト・ナットにより締付け固定されている。

更に、超音波振動センサ部Ｆは１５０^m×２００^m×１００^mmの外形寸法を有しており、前記Ｌ型支持金具の垂直板部６ｂへボルト・ナットにより支持固定されている。

図２は、本発明に係る小動物の行動検出装置の構成系統図であり、図２に於いてＦは超音波振動センサ部、Ｇは制御部、Ｐはコンピュータ部であり、超音波振動センサ部Ｆと制御部Ｇにより所謂振動センサＳが形成されている。
前記超音波振動センサ部Ｆは、金属又は樹脂製の容器本体１と液体（水）２と超音波探触子（中心周波数２ＭＨｚ）３とから形成されており、超音波探触子３から送信された超音波ｃが液面で反射され、反射波ｄが探触子３により送信される。

受信データｅは制御部（振動受信機）Ｇへ送られ、ここでＡ／Ｄ変換されると共に変換後のデータはＰ−Ｐ変換されて、コンピュータ部（パーソナルコンピュータ）Ｐへ入力される。

図３は、制御部（振動受信機）にて全波整流化された受信波形（受信データ）ｅの一例を示すものであり、小動物の運動により振動が発生すると、センサ部Ｆ内の液体２が揺れ、液面からの反射波ｄが変化する。本発明では図２の液面からの反射波ｄの最大振幅値Ｐが時系列データとして取り扱われる。

図４は、超音波振動センサ部Ｆの液面２の状態と整流化された反射波ｄの受信波形の一例を示すものであり、図４（ａ）は振動が発生していない場合を、また、図４（ｂ）は振動が発生している場合を示すものである。

図４（ｂ）に示すように、振動が発生すると液面が揺れ、液面と探触子間の角度が変化することにより、反射波ｄの最大振幅値が変化する。
制御部Ｇでは、上記反射波ｄの受信波形の最大値幅値の時間的変化をプロットすることにより、対象とするケージＣの振動を感知する。

図５は、整流化された受信波形の最大振幅値の時間的変化を示すものであり、本発明に於いては、最大振幅値を０．０２秒毎にＡ／Ｄ変換した値をサンプリング（図５（ａ）・（ｂ））し、このサンプリング値の時系列データを取り扱う（図５（ｃ））。

本発明に於いては、振動の大きさを定量的に扱うため、最大振幅値の変化量を振動の度合とする。そこで、最大値と最小値の差Ｐ−Ｐを用いるようにしている。今、振動データをｆ（ｘｉ）とすると、ある時点での時刻ｔにおける前記Ｐ−Ｐは、次の（２）式により計算される。
Ｐ−Ｐ＝ｍａｘ（ｆ（ｘｉ）−ｍｉｎ（ｆ（ｘｊ）） （１≦ｉ、ｊ≦ｋ）・・（２）
ここで、ｋはある時刻ｔから過去にさかのぼった振動データ数である。即ち、Ｐ−Ｐ値が大きいほど振動の度合いは大きくなる。

図６は、最大振幅値を０．０２秒毎にＡ／Ｄ変換した波形と、それを２秒毎にＰ−Ｐ変換した波形を示すものである。本発明に於いては、上述の如く、Ａ／Ｄ変換後の値を２秒毎にＰ−Ｐ変換した値をサンプリングし、この時系列データを解析の対象とするようにしており、以後、超音波振動波形は、振動値の時系列データのことである。

図７は、固有振動周波数が７Ｈｚとなるように容器材質を塩化ビニル、内径を２６ｍｍ、液体を水に選定した超音波振動センサ部の感度特性の一例を示すものであり、変位０．１４ｍｍの一定振動（横振動）を与えた場合の周波数とＳ／Ｎ比の関係を示すものである。

前記図１に示したように、小動物の飼育ケージＣに超音波振動センサ部Ｆと制御部Ｇから成る振動センサＳをＬ型支持金具６を介して取り付けると共に、ケージＣ内へ生後３週目のマウス（雌）を入れ、当該マウスＭの自発行動により生ずる微振動を検出した。

図８は、検出した微振動の一例を示すものであり、前期Ｐ−Ｐ値データで示したものである。また、図９は、図８の１７：００〜１８：００の間の拡大図である。

次に、図９の振動データを、下記の式（３）を用いて所謂移動平均による平滑化を行った。
Ｆ（ｎ）＝（Ａ₀＋Ａ₁＋Ａ₂＋・・・Ａｎ）／ｎ・・・（３）
但し、ｎはポイント数、Ａ₀＋Ａ₁・・・は所定時間内の各ポイントに於ける最大振幅値であり、本実施例では一分間毎の平均化処理を行った。
図９中の黒線で示した線図は、上記（３）式による平均化処理の結果を示すものである。

次に、図９で求めた平均化処理した振動データに、任意の上限閾値及び下限閾値を適用し、振動振幅を分割する。上・下限閾値を基準にして、イ．下限閾値以下の振幅の時は、小動物が睡眠状態の時の振動、ロ．下限閾値以上で上限閾値以下の振幅のときは、小動物が静止又は寝返りの状態の時の振幅、ハ．上限閾値以上の振幅時は小動物が活動状態の時の振幅として、各振幅値から小動物Ｍの行動状態を判別した。

図１０は、１７：００〜１８：００の間に於ける振動センサ振幅の上・下限閾値による解析結果の一例を示すものであり、ラットＭの静止、活動、睡眠の状態が夫々明確に判別される。

尚、本発明により検出した上記図１０に示したラットＭの静止、活動、睡眠の各状態が、現実のラットＭの活動と合致するか否かを、ビデオ画像との対比により確認をした。
その結果、本願発明による検出結果と、ビデオ画像による検出結果とは、ほぼ１００％に近い確率で合致するものであることが判明した。

本発明は、ラット等の実験用小動物の活動状態の自動検知のみならず、鳥類や昆虫・ちょうちょう等の小生物の活動状態の自動判別にも広く適用できるものである。

飼育ケージＣに超音波振動センサ部Ｆを取り付けした状態を示す斜面図である。 本発明に係る小動物の行動検出装置の構成系統図である。 整流化された超音波振動センサ部からの受信波形の一例を示すものである。 超音波センサ部の液面状態と受信波形の関係を示す線図である。 整流化された受信波形の最大振幅値の時間的変化の一例を示す線図である。 最大振幅値を０．０２秒毎にＡ／Ｄ変換した波形と、それを２秒毎にＰ−Ｐ変換した波形の一例を示すものである。 固有波形数を７Ｈｚに設定した超音波振動センサ部の感度特性の一例を示すものである。 マウスＭの活動による微振動の検出値の一例を示すものであり、Ｐ−Ｐ値データで示した線図である。 図８の１７：００〜１８：００間のＰ−Ｐ値データで示した検出値の拡大図である。 図９の移動データを、上限閾値及び下限閾値によって分割し、小動物の活動状態を判別する場合を示す説明図である。 従前の小動物の特定行動の自動検出装置の一例を示す構成系統図である。 図１２の（ａ）は従前の超音波計測装置の構成系統図であり、図１２の（ｂ）は、当該超音波計測装置を人の状態判別装置として用いた場合の説明図である。 円筒型容器本体を用いた超音波振動センサ部Ｆの断面概要図である。 速度センサによる飼育ゲージＣの振動検出の一例を示す線図である。 飼育ゲージＣの振動を速度センサと、固有振動数を７Ｈｚに設定した超音波振動センサとで検出した時の、周波数と振動スペクトラムとの関係を示す線図（ＦＦＴ解析結果）である。

符号の説明

Ｃ 飼育ケージ
Ｍ 小動物（マウス）
Ｆ 超音波振動センサ部
Ｇ 制御部
Ｐ コンピュータ部
Ｓ 振動センサ
１ 容器本体
２ 液体
３ 超音波振動子
４ 箱体
４ａ 上壁面の非開放部
５ 蓋体
６ Ｌ型支持金具
６ａ 水平板部
６ｂ 垂直板部
ｃ 入射超音波
ｄ 反射超音波
ｅ 受信信号（受信データ）

Claims (7)

1. 支持金具を取り付けした箱体から成る任意の固有振動を有する小動物等の飼育ケージと、前記支持金具を介して着脱自在に飼育ケージへ固定され、当該飼育ケージの固有振動を共振によって効果的に検出するためその固有振動周波数を任意に設定可能とした超音波振動センサ部と、超音波振動センサ部からの受信信号が入力される制御部と、制御部からの検出信号に基づいて演算並びに表示をするコンピュータ部とから構成され、前記制御部において、受信信号の一定時間毎の最大振幅値をＡ／Ｄ変換して時系列データを生成し、当該Ａ／Ｄ変換した時系列データに基づいて、一定時間毎に最大値と最小値の差であるＰ−Ｐ値に変換したＰ−Ｐ値の時系列データを得ると共に、当該Ｐ−Ｐ値時系列データを移動平均により平滑化を行い、また、前記コンピュータ部Ｐに於いて適宜の下限閾値と上限閾値とをＰ−Ｐ値の時系列データに適用して、当該上限及び下限の各閾値により、小動物の各種行動状態を自動判別する構成としたことを特徴とする小動物の行動検出装置。
2. 制御部に於いて、受信信号の最大振幅値を０．０２秒毎にＡ／Ｄ変換して時系列データを得るようにした請求項１に記載の小動物の行動検出装置。
3. 制御部に於いて、Ａ／Ｄ変換をした時系列データに基づいて、２秒毎にＰ−Ｐ値の時系列データを求めるようにした請求項１に記載の小動物の行動検出装置。
4. 制御部に於いて、Ｐ−Ｐ値の時系列データに移動平均による平滑化を行うようにした請求項１に記載の小動物の行動検出装置。
5. 上限及び下限の各閾値により、小動物の静止、活動及び睡眠の各状態を判別するようにした請求項１に記載の小動物の行動検出装置。
6. 小動物の飼育ケージに超音波振動センサ部により検出した小動物の活動に基づく飼育ケージの振動を制御部へ入力し、当該制御部に於いて、先ず受信信号の一定時間毎の最大振幅値をＡ／Ｄ変換して時系列データを生成し、次に、当該Ａ／Ｄ変換した時系列データに基づいて一定時間毎に最大値と最小値差Ｐ−Ｐ値に変換したＰ−Ｐ値の時系列データを生成し、その後、前記Ｐ−Ｐ値の時系列データを移動平均により平滑し、更に、前記コンピュータ部において、適宜の下限閾値と上限閾値を前記Ｐ−Ｐ値の時系列データに適用して、当該上限閾値及び下限閾値により飼ケージ内の小動物Ｍの活動状態を自動検知することを特徴とする小動物の行動検出方法。
7. 検出する小動物の行動を、静止状態と活動状態と睡眠状態とするようにした請求項６に記載の小動物の行動検出方法。