JP6032671B2 - 摂水行動計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、摂水行動計測装置に関し、特に、リッキングとサッキングを区別して検出でき、さらに、報酬のタイミングをも正確に検出可能としたものに関する。

医学の進歩が進み、さまざまな病気に対する知見が蓄積され、それらに対する治療法が発見されつつある。しかし、脳あるいは心の問題に関しては、いまだ未解明な部分が多いといってよい。例えば、鬱病・アパシー(無気力)・ひきこもりなどいわゆるモチベーションに関わる病気や、過食・拒食などの食欲に関わる病気、また、糖尿病のような代謝疾患においても食欲などがきわめて重要に絡んでくる。このような状況下で、このような病気に対する治療法を開発するためには、モチベーションや食欲などに関する正常な脳機能の生理学的解明と、それらの病態に関する病理学的・薬理学的解明が必須となる。実際、ドーパミンニューロンとやる気の関係など、NatureやScienceなどの科学雑誌に、高頻度に取り上げられ、まさに今、世界の科学の注目の的となっている。
このように正常脳機能の解明および病態の解明においては、動物実験が必要不可欠であり、例えば製薬業界における動物実験は、薬の開発から安全面のチェックまで、幅広い範囲で動物実験が用いられている。しかし、このような動物実験を行う際に、モチベーションや食欲などを計測する装置がなければ、これらの清浄機能もまた病態も解明することができない。驚くべきことに、これほどモチベーションや食欲に関する研究が進められている昨今、客観的にそれらを計測する装置の開発に、重点が置かれてこなかった（特許文献１、２参照）。

特開平７−１７８１２３号公報 特開２００６−２２６９１９号公報

本発明が解決しようとする課題は大きく分けて二つのパートに分けられる。一つ目は、実験者が報酬を与えた際に、実際に報酬が与えられるタイミングを計測する技術、二つ目は、動物の行動を計測する技術、を提供することにある。
まず一つ目が、報酬が与えられたタイミングを計測する技術である。モチベーションや食欲に関わる動物実験では、その対象である液体報酬(ジュースなど)を用いる。その際、どのタイミングで実際にジュースを与えたのかを知ることは、実験条件の統制という観点からも、極めて重要である。例えば、ジュースが与えられたら、どのタイミングでドーパミンの神経細胞が発火するかという問いは、ドーパミン神経細胞のメカニズムを知るうえで、科学的に極めて重要になってくる。しかし、驚くべきことに、これまでそのタイミングを知る方法がなかった。研究者らは、コンピューターから信号（例えばバルブ開閉の指令信号）を出したタイミングを、報酬を与えたタイミングであると考え、解析等を行ってきたが、実際には、コンピューターの指令と実際の報酬が与えられるタイミングには、かなりのズレが存在する。しかも、そのズレは、実験者の用いる装置ごとに異なるし、また、報酬ごとに毎回異なりうる。そのため、実際の報酬のタイミングを知ることは、極めて重要である。

そして二つ目が、動物の行動を計測する技術である。動物がモチベーションあるいは食欲の対象である液体報酬(ジュースなど)を得るとき、吸い口を「吸う」場合(サッキング)と、「なめる」場合（リッキング）がある。これらの行動は、動物が報酬を期待して飲もうとする時に現れる行動であり、モチベーションや食欲の客観的な指標になる。もし、報酬が与えられた後にサッキングやリッキングが多ければ、動物は食欲が高いということになる。また、実際に報酬が与えられる前からサッキングやリッキングが多ければ、動物は食欲が高いと同時に、モチベーションが高いことを示している。（あるいは、報酬が来るであろうことを予測する、学習の結果の指標になる場合もある。）さらに、サッキングの吸引力や、リッキング・サッキング時のチューブをくわえる深さも、モチベーションや食欲の客観的な指標となりうる。このように、リッキングやサッキングといった行動を計測することは極めて重要であるが、我々の発明はこの計測を可能にする。さらに我々の発明のポイントとして、リッキングとサッキングを別々に計測することができる点も挙げられる。
従来、動物の摂水行動を計測するためには、なめることによる振動を検出する方法、舌の位置をレーザなどで検出する方法、筋電計測、カメラ画像を処理する方法などが行われてきた。しかし、従来技術は単一の機能を検出するものが主であり、また原理的に誤検出の可能性があり、調整が複雑、装置が大掛かり、侵襲的であるという欠点を有していた。舌でパイプをなめているという行為（リッキング）を直接的に検出しているわけでなく、リッキングを含めサッキングや強引な吸水行為を総合的に計測できる装置はなかった。

上記問題点を解決するために、本発明は、液体の吸い口パイプのパイプ内部に設けた温度検出用サーミスタＡと、前記吸い口パイプの下面に設けた温度検出用サーミスタアレイＢと、前記吸い口パイプの上面に設けた温度検出用サーミスタアレイＣを備えた摂水行動計測装置であって、前記サーミスタＡ、サーミスタアレイＢ及びサーミスタアレイＣの温度変化から吸水行動様式の違いを計測できるようにしたことを特徴とする。
また、本発明は、前記摂水行動計測装置において、前記サーミスタＡは自己加熱用電流を流しながら温度変化を検出し、該サーミスタＡで温度の急激な下降を検出したタイミングを以て報酬を与えたタイミングであることを計測し、前記サーミスタアレイＢと前記サーミスタアレイＣで吸い口から数えて同程度の数のサーミスタが温度上昇を検出したことを以て、サッキングが行われたことを計測し、前記サーミスタアレイＢで温度上昇を検出したサーミスタの数が前記サーミスタＣで温度変化を検出したサーミスタの数に比べて多いことを以てリッキングが行われたこと計測する。サッキングの吸引力は、該サーミスタＡの温度下降を持って計測する。また、リッキング・サッキングにおける「くわえ」の深さは、前記サーミスタアレイＢ・Ｃにおいて温度上昇したサーミスタの個数で検出する。
吸い口パイプと動物の顔面の位置関係が変わる場合には、サーミスタアレイを吸い口に円周上に複数列配置し、温度上昇の大きな点対称の２列を前記サーミスタアレイＢ・Ｃとして選択する。
また、本発明は、前記の摂水行動計測装置において、前記サーミスタＡでの温度変化の検出には、ハイパスフィルタを用いて温度の急激な下降を検出することを特徴とする。

本発明の摂水行動計測装置では、３つの温度検出用サーミスタを用いただけの簡単な構成で、従来区別して検出することができなかったリッキングとサッキング、およびその強さと深さを区別して検出することができ、さらに、報酬が与えられるタイミングについても、より正確に検出することができる。

本発明の摂水行動計測装置の吸い口パイプ部分の一例を示した要部概念図である。なお、吸い口パイプ内部に設けたサーミスタＡと、吸い口パイプの動物顔面に対して下面のサーミスタアレイＢ、吸い口パイプの動物顔面に対して上面のサーミスタアレイＣが図示されている。 本発明の摂水行動計測装置の全体概略図であり、吸水ビンから報酬となる液体を、図示しない制御装置によりソレノイドバルブを開閉制御することにより吸い口に供給する。 本発明の、報酬が与えられるタイミングを計測する技術の概念図である。液体報酬が与えられると、加熱されていない液体が自己加熱型サーミスタＡ周辺に流入してくるため、一時的に温度が下がり、この温度低下を計測することによって、報酬が与えられるタイミングを計測できる。 本発明の、動物の行動を計測する技術のうち、サッキングとリッキングの弁別方法の概念図である。サッキングの場合、吸い口パイプ上面に配置されたサーミスタアレイＣと吸い口パイプ下面に配置されたサーミスタアレイＢにおいて、同程度の個数のサーミスタで温度上昇が検出できる。一方、リッキングの場合、吸い口パイプ下面に舌が伸びサーミスタアレイＢが温められるため、サーミスタアレイＢにおける温度上昇を示すサーミスタの数のほうが、サーミスタアレイＢにおける温度上昇を示すサーミスタより多くなる。 本発明の、動物の行動を計測する技術のうち、サッキングとリッキングの「深さ」の検出方法の概念図である。吸い口パイプ上面および下面に配置されたサーミスタアレイＣおよびＢの個数を計測することによって、サッキングおよびリッキングの深さを検出できる。 本発明の、動物の行動を計測する技術のうち、サッキングの強さの検出方法の概念図である。動物がサッキングする場合、吸い口パイプ上面および下面に配置されたサーミスタアレイＣおよびＢが、同程度の個数、温度上昇を示す。その際、動物がサッキングして吸い口パイプ内の液体が動くと、移動した液体量に応じて、自己加熱型サーミスタＡの温度低下が生じ、この温度低下によってサッキングの強さを検出できる。

本発明の摂水行動計測装置では、温度検出用サーミスタＡ、および、複数のサーミスタアレイを用いて、サーミスタＡは自己加熱型で吸い口パイプの内部に、サーミスタアレイは吸い口パイプの外周面に設け、これらのサーミスタＡおよびサーミスタアレイの温度検出パターンのコンビネーションとその変化の大きさを観察することによって、サッキングとリッキング、それらの深さと強さ、さらには実験者が与えた報酬のタイミングを、区別して検出することができる。

図１は、本発明の摂水行動計測装置の吸い口パイプ部分の一例を示した要部概念図であり、図２は、吸水ビン、ソレノイドバルブ、吸い口からなる摂水行動計測装置の全体概略図である。図３は報酬が与えられるタイミングを計測する技術の概念図であり、液体報酬が与えられると、加熱されていない液体が自己加熱型サーミスタＡ周辺に流入してくるため、一時的に温度が下がり、この温度低下を計測することによって、報酬が与えられるタイミングを計測できる。
まず、報酬が与えられたタイミングを計測するために、液体の流れ検出用に吸い口パイプ内部に組み込んだサーミスタＡに自己加熱用電流を流し、温度変化をハイパスフィルタで検出します。（熱放散定数０.５ｍＷ／℃のサーミスタのときサーミスタで２ｍＷ程度の自己加熱。ハイパスフィルタの時定数は動物のリッキング頻度より決定され、通常、０.１秒程度である。）液体の流れがないときはサーミスタの温度は周囲の液体より高いが定常状態となっており、ハイパスフィルタの出力に変化がありません。実験者がパイプのなかの液体を流すと低い温度の液体がサーミスタに触れるため、ハイパスフィルタを通して増幅した信号に突然の大きな下降が見られその後上昇そして定常状態に戻ります。このような温度変化を計測することによって、実際の液体報酬の流れのタイミングを計測することができる。

次に、動物の行動を計測する技術として、リッキング（なめる）とサッキング（吸う）に分けて説明する。図４はサッキングとリッキングの弁別方法の概念図である。リッキング計測のため、パイプの下面に舌の温度を検出するサーミスタアレイＢとパイプの上面に舌の温度を検出するサーミスタアレイＣを装着する。サッキングが起こり、上唇と下唇がパイプ先端に接触すると、吸い口パイプ上面に配置されたサーミスタアレイＣと吸い口パイプ下面に配置されたサーミスタアレイＢにおいて、同程度の個数のサーミスタで温度上昇が検出できる。一方、リッキングの場合、吸い口パイプ下面に舌が伸びサーミスタアレイＢが温められるため、サーミスタアレイＢにおける温度上昇を示すサーミスタの数のほうが、サーミスタアレイＢにおける温度上昇を示すサーミスタより多くなる。（なお、ハイパスフィルタの時定数は動物のリッキング頻度より決定され、通常、０.１秒程度である。）このように、サーミスタアレイＢ，Ｃの、温度上昇を示すサーミスタの個数を比較することによって、サッキングとリッキングの弁別が可能となる。なお、各サーミスタアレイＢ、Ｃは、少なくとも２個以上のサーミスタを並べたサーミスタアレイであれば上記サッキングとリッキングの弁別が可能である。

次に、動物の行動を計測する技術のうち、サッキングとリッキングの「深さ」の検出方法を説明する。図５はサッキングとリッキングの「深さ」の検出方法の概念図である。サッキングが生じると、サーミスタアレイＢ，Ｃのサーミスタが温度上昇を示すが、パイプの奥深くまでサッキングされる場合は、パイプの先端のみでサッキングされる場合に比べ、多数のサーミスタで温度上昇が検出される。リッキングの場合は、サーミスタアレイＢとＣで、温度上昇が検出されるサーミスタの個数が異なるが、各サーミスタアレイの中で温度上昇が生じる個数によって、同様に、リッキングの深さを検出できる。まとめると、吸い口パイプ上面および下面に配置されたサーミスタアレイＣおよびＢの個数を計測することによって、サッキングおよびリッキングの深さを検出できる。なお、各サーミスタアレイＢ、Ｃは、少なくとも２個以上のサーミスタを並べたサーミスタアレイであれば上記サッキングおよびリッキングの深さを検出可能である。

次に、動物の行動を計測する技術のうち、サッキングの「強さ」の検出方法を説明する。図６はサッキングの強さの検出方法の概念図である。動物がサッキングする場合、吸い口パイプ上面および下面に配置されたサーミスタアレイＣおよびＢが、同程度の個数、温度上昇を示す。その際、動物がサッキングして吸い口パイプ内の液体が動くと、移動した液体量に応じて、自己加熱型サーミスタＡの温度低下が生じ、この温度低下によってサッキングの強さを検出できる。

吸い口パイプに対して動物の顔面との位置関係は、通常、可変であるが、図１に示すように、点対称なサーミスタアレイを、円周上に敷き詰めることによって、吸い口パイプと顔面の位置関係がどのような状況にも対応できるようにする。温度上昇の大きな点対称の２列を前記サーミスタアレイＢ・Ｃとして選択することによって、サッキングとリッキングの検出およびその深さの検出が容易になる。

神経科学やその病態の解明に関する研究における具体的な計測例として、パイプを通じて液体報酬が与えられたタイミングに対する神経細胞活動の計測が考えられるが、病態の実験モデル動物において、あるいは正常動物においても、モチベーションの度合いなどコンディションに応じて、発火が小さい、あるいは潜時が遅いなど、異なる神経細胞活動を示す可能性がある。このような病態の神経細胞レベルでの理解に大きな役割を果たす。また、リッキングおよびサッキングを計測することによって、病態の実験モデル動物において、報酬が実際に来るタイミング、あるいは予期したタイミングで、リッキングやサッキングを定量的に計測することによって、食欲・モチベーション・さらには予測能力等を定量化することができる。
以下に、神経科学研究における本摂水行動計測装置の使用例を挙げる。
（１）モチベーションが低下した鬱病・無気力状態の病態モデルにおいて、リッキング・サッキングの回数が低下することが予想される。
（２）食欲中枢の神経活動が更新した動物モデルにおいて、リッキング・サッキングの回数が増加する。同様に、食欲中枢の神経活動が低下した動物モデルにおいて、リッキング・サッキングの回数が低下する。
（３）正常動物において、報酬のタイミングが予測される場合、予測される報酬のタイミング直前にリッキング・サッキングの回数が増加する。
（４）タイミングを予測する時間判別能力が低下した動物モデルにおいては、上記の正常例と異なり、リッキング・サッキングのタイミングがランダムになる。
（５）正常動物において、報酬に基づく学習をさせた場合、動物が正解を確信した場合は、リッキング・サッキングの回数が増加し、動物が正解を確信しなかった場合は、リッキング・サッキングの回数が増加しない。これにより、学習時における動物の「確信度」を検出することができる。
（６）正常動物、あるいは病態モデルにおいて、リッキング・サッキングの回数を計測することによって、報酬の種類に対する動物の選好が検出できる。例えば、動物が、バナナ味のジュースが水に比べて好む場合、バナナ味のジュースをリッキング・サッキングの回数が増加することになる。

神経科学や病態の解明に関するほとんどの研究では、動物の摂水行動に立脚しているが、これまで正確に摂水行動を計測できていなかった。本発明の摂水行動計測装置の開発により、リッキング、サッキング、液体の流れ、強引な吸水行動をまとめて計測でき、このことは、これまで不可能だったモチベーションや食欲などの客観的指標を得ることにつながる。その結果、脳の正常機能の解明、病態の解明やそれに続く製薬産業など、様々な業種へ貢献できるものである。

Claims (4)

1. 液体の吸い口パイプのパイプ内部に設けた温度検出用サーミスタＡと、前記吸い口パイプの下面に設けた温度検出用サーミスタアレイＢと、前記吸い口パイプの上面に設けた温度検出用サーミスタアレイＣを備えた摂水行動計測装置であって、
   前記サーミスタＡ、サーミスタアレイＢ及びサーミスタアレイＣの温度変化から吸水行動様式の違いを計測できるようにした摂水行動計測装置。
2. 前記サーミスタＡは自己加熱用電流を流しながら温度変化を検出し、該サーミスタＡで温度の急激な下降を検出したタイミングを以て報酬を与えたタイミングであることを計測し、
   前記サーミスタアレイＢと前記サーミスタアレイＣで同等数のサーミスタで温度上昇を検出したことを以て、サッキングが行われたことを計測し、
   前記サーミスタアレイＢで温度上昇を検出したサーミスタの数が前記サーミスタアレイＣで温度上昇を検出したサーミスタの数より多いことを以てリッキングが行われたこと計測し、
   サーミスタアレイＢ，Ｃにおいて温度上昇を検出したサーミスタの数によってサッキングおよびリッキングの深さを計測し、
   サーミスタアレイＢ，Ｃの同程度の温度上昇と同時に生じた、自己加熱型サーミスタＡの温度低下の度合いに応じて、サッキングの強さを計測することを特徴とする請求項１に記載の摂水行動計測装置。
3. 前記サーミスタＡでの温度変化の検出には、ハイパスフィルタを用いて温度の急激な下降を検出することを特徴とする請求項２に記載の摂水行動計測装置。
4. 前記サーミスタアレイＢ，Ｃに加えて、前記吸い口パイプの周面に複数列のサーミスタアレイを設け、吸い口パイプに対して顔面の位置の変化に対応する、温度上昇の大きなサーミスタアレイを、前記サーミスタアレイＢ，Ｃに代えて用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の摂水行動計測装置。

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