JPS6045890B2 - 回転篭を用いた小動物自発運動の自動計測記録装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は回転籠を用いた小動物自発運動の自動計測記録
装置に係り、特に回転運動の正確な検出と、空間的要素
である回転数の他に、時間的要素を加味した指標である
回転時間、単一走行発現回数、走行時間の計測記録に関
するものである。

従来からマウス等の小動物を回転籠に入れてその自発運
動を観測することが行われているが、この場合マイクロ
スイッチ、シクロメータ（車輪回転数計測器）のような
機械的な原理を応用したものでは回転運動検出に際し物
理的な抵抗が必然的に伴ない実験動物への負荷を大きく
している。更にこれらの作動には音の発生の問題が伴い
、これ・に加えて一方向の回転しか検出できないという
問題が残されている。又前記の問題を解決しうる他方法
も提案されているが、従来法ではそのいずれにおいても
回転籠内の実験動物が運動状態から急に停止状態に移つ
・たような場合に頻発する回転籠の振子運動と回転運動
の見分けがつけられず、これ等をも回転運動として検出
してしまうことが多い。

本発明人は以上のような従来の回転検出法の致命的欠陥
に鑑み種々検討した結果、前記回転籠に制御羽根（光電
変換装置の場合は光束遮断羽根、電気的開閉装置の場合
は開閉作動羽根）を取りつけ、回転籠の回転と同期せし
め光電変換装置或いは電気的開閉装置を介して前記制御
羽根によるパルス出力をフリップフロップに与え、回転
信号パルス（以下回転パルスと称する）を得るようにし
たものである。

先す第１図Ａ，Ｂは回転籠１と回転検出に光電変換装置
として発光ダイオードのような発光素子２ａ１，２ａ２
とフォトトランジスタのような受光素子２ｂ．，２ｂ２
を用いる場合にその関係を示す正面図と平面図て回転籠
１には制御羽根である光束しや断羽根３ａが適宜部分に
取りつけられている。

また受光素子２ｂ１，２ｂ２の出力は夫々２入力型フリ
ップフロップ５のセット端子Ｓ１リセットＲに接続され
ている。さて回転籠１の回転の度に制御羽根である光束
遮断羽根３ａにより発光素子２ａ１，２ａ２か受光素子
２ｂ１，２■への夫々の光束が遮断され、受光素子２ｂ
１，２］）２の出力側に電気パルスが発生し、フリップ
フロップ５に与えられる。フリップフロップ５の端子Ｓ
１ついでＲにと入力すると始めてその出力は反転し単安
定マルチバイブレータ６により１回転パルスを得ること
ができる。従つて一方の端子のみに連続して入力する振
子運動のような場合にはフリップフロップ５の出力は反
転しないため従来法と違い回転運動として検出しない。
尚第１図Ｃは回転検出に電気的開閉装置として機械的接
点を用い、その開閉により、フリップフロップ５を働か
せることを示す簡略構成図で、この場合も第１図Ａ，Ｂ
の場合と同様開閉作動羽根３ｂが先す固定接点２Ｃ１つ
いで２Ｃ２にと接することにより始めてフリップフロッ
プ５の出力は反転し単安定マルチバイブレータ６に．よ
り１回転パルスを得ることができる。４は回転籠１の回
転軸である。

従来の回転籠法による自発運動の観測では専ら回転数を
唯一の指標として使つてきた。

それ故この回転数の計量化に基づいた解析法に依らざる
を・えない点が回転籠という簡易でしかも運動量の計測
には合目的な装置が行動観測や薬物の行動薬理的検索に
充分な活用がなされえない大きな理由になつているとい
える。そこで本発明人は回転籠装置をより有効に活用す
るために回転数の他に更に情報量を増やすことを意図し
、一連の研究を行なつた結果空間的要素に加え時間的要
素を考慮した数量化しうる新しい行動指標の導入に成功
しその計測記録を完成するに至つた。

以下これについて詳細に説明すると、まず、より正確に
動物の生の行動を再現する目的て１回転に要した時間の
連続自動計測記録法を開発した。

Ｊこれにより各回転毎の消費時間が計測され回転数のみ
を指標とした行動解析では把握できない運動の詳細な観
測が可能となつた。例えば第２図は回転籠装置に実験動
物（マウス）を入れた第１日目と第２４日目の１日あた
りの・回転時間頻度分布図であるが、総回転数はそれぞ
れ１２５５０回転と１０２５６回転とほぼ同程度である
のに反し、その分布の型は全く異なつている。

すなわち回転数の比較では全く予知し得なかつた運動内
容の相違を回転時間を計測することにより適確に”数量
化することが可能となつた。更に回転時間の計測に加え
先に既に平尾氏が発表した１単一走行ョという、より生
物的意味合いの強い行動慨念〔綜合臨床？，２１１（１
９７３）〕の適用を試み新たな角度から車廻し行動の構
造特性を見出すこをに成功した。０単一走行ョとは１回
転に要する時間がある一定の時間Δ（臨界時間と称する
）未満の場合を０走行状態ョ、臨界時間Δ以上の場合を
１走行から停止に移つた状態ョと定義すると１走行の開
始から停止までョの一まとまりの行動と規定でき、一種
の行動単位とみなし得る。

この行動事象の計測量としては１単一走行距離Ｊｒ単一
走行発現回数ョと１走行時間ョが考えられる。１単一走
行距離ョは１臨界時間Δ未満で連続する回転数ョであり
、１単一走行発現回数ョは１走行と停止という一連の行
動単位の発生回数ョである。

また０走行時間ョは１任意の計測時間内に発現する単一
走行の総所要時間ョである。

それ故上記の１回転数ョ、。回転時間ぁ１単一走行距離
ョ。単一走行発現回数ョ、１走行時間ョの関係は臨界時
間をΔとした時第３図Ａ，Ｂ，Ｃのようになる。第３図
Ａは回転パルス１，２，３・・・・・・６が示され、こ
れ等パルス間隔時間はち，Ｔ２，ｔ３・・・・・・Ｔ６
で回転時間Ｔｉを示す。第３図Ｂは０単一走行ョ、第３
図Ｃは走行時間Ｔを示し、Δは臨界時間である。

この場合臨界時間Δと各回転時Ｔｉの関係はＴｌ，ｔ４
，ｔ６≧Δ，Ｔ２，ｔ３，ｔ５〈Δである。この時図で
回転数、すなわち回転パルス数Ｎ＝６、単一走行発現回
数ｎ＝３で各単一走行距離は夫々１，３，２で走行時間
Ｔ＝（Δ）＋（Ｔ２＋Ｔ３＋Δ）＋（Ｔ５＋Δ）となる
。なお、総回転数＝Σ（単一走行距離）＝（平均単一走
行距離）×（単一走行発現回数）の関係式が成り立つ。

これら新しい行動指標の計測により情報量が著しく増え
、精密な行動観測並びに薬物の行動に及ぼす効果の正確
な検索が可能になり、従来の回転数のみによる方法では
到底観測できなかつた行動構造て行動変化を計測するこ
とが可能となつた。

その１例を第４図の単一走行発現回数と回転数の相関図
で示す。尚の図はメタンフエタミンの急性効果を調べた
もので、黒丸は対照時の運動状態を、また白丸は薬物投
与後の運動状態を示しており、縦軸と横軸はそれぞれ３
紛あたりの回転数と単一走行発現回数を表わす。従つて
原点を通る直線の傾きがその時の平均単一走行距離を示
すことになる。図中のＥ＝１の直線は平均単一走行距離
が１の時の回転数と単一走行発現回数の関係を示してい
る。白丸の傍らの数字はメタンフエタミン投与後の時間
推移を表わしており、約３時間後（６の白丸）からは正
常の運動状態に回復して行く様子がわかる。図のように
薬物投与により著しい単一走行発現回数の増加と平均単
一走行距離の短縮が明らかに認められる。すなわちマウ
スの車廻し行動は対照時よりも走行状態の持続が短かく
、しかも頻繁になつていることが理解されよう。次に上
記の行動指標の計測記録を実施しうる装置に関して、記
録機器としてパンチヤ、プリンタを使用する場合の回路
ブロック第５，６図を示す。

先ず第１の実施例であパンチヤ使用例は第５図のブロッ
ク図で示され中に入れられたマウス等の小動物によつて
回転籠１が１回転する度に２入力型フリップフロップ５
の出力Ｑが反転し、それに応じて単安定マルチバイブレ
ータ６の出力側に回転パルスを発生する。

７はカウンタ、ラッチよりなる回転時間計測回路、８は
クロックパルス発生回路、９はパンチヤ、１０はパンチ
ヤ制御回路で、回転時間の計測記録は以下の動作で順次
繰り返される。

すなわち第１番目の回転パルスにより、回転時間計測回
路７中のカウンタで計測されている第１−１番目から第
１番目までの時間Ｔｉ一１（回転時間）の情報はラッチ
に一時的に移し換えられる。ラッチに移し換えられて一
時的に記憶された回転時間の情報はパンチヤ制御回路１
０をへてパンチヤ９で紙テープにさん孔記録される。又
回転時間計測回路７中のカウンタはリセットされ、次に
第１番目から第１＋１番目の回転時間Ｔｉの計測を開始
する。かかる連続自動記録された回転時間は車廻し行動
解析のための最小単位であり、コンピュータ処理よる単
一走行距離、回転時間分布等の行動の再構成に必要な全
ての情報が含まれ、行動の構造が種々の角度から解析可
能となるのでその利点は極めて大きい。

しかしその反面このパンチヤを使用した行動記録はコン
ピュータで処理せねばならない難点がある。次に第６図
にプリンタ使用の場合について述べる。

これはまさん孔記録されたテープのコンピュータ解析に
より種々の行動指標の妥当性が確認され、それらの中か
ら３つ有用な指標として回転数、単一走行発現回数と走
行時間とを選ひプリンタ記録により省力化を行つたもの
で、回転信号を電気回路内で処理し、一定間隔でそれら
の計測値をプリンタで印字記録するものである。図でフ
リツプフ咄ンプ５の出力は単安定マルチ）バイブレータ
６に与えられ回転パルスが得られるのは第５図同様であ
る。

回転パルスは回転数計測回路１１に与えられるとともに
後述する臨界時間設定回路１２に与えられる。臨界時間
設定回路１２からの出力は単一走行発現回数計測回路１
３に５与えられるものと、クロックパルス発生回路８か
ら出力とともにアンドケート回路１４に入つた後走行時
間計測回路１５へ入るものとがある。一方クロックパル
ス発生回路８からの出力は記録時間間隔設定回路１６に
も与えられ、この出力は前記０３つの計測回路１１，１
３，１５とプリンタ制御回路１７に入り、計測された回
転数、単一走行発現回数、走行時間の測定値を読み出し
、記録時間間隔設定回路１６の働きによソー定の時間間
隔でプリンタ１８を作動させて印字記録する。１回転に
要する時間が臨界時間Δ未満０走行状態．臨界時間Δ以
上を７走行から停止に移つた状態ョと定義したのである
が、この臨界時間Δがコンピュータ解析により理論的に
決定された後は回路的に走行状態であるか否かの判定を
自動的にすることが可能になる。

その役割を果たすものが臨界時間設定回路１２である。
この自動判定の目的を達成できる臨界時間設定回路１２
の具体的回路構成図を第７図Ａ，Ｂ，Ｃに示す。

尚これらの場合いずれもΔは可変であり任意に設定でき
ること、その出力はすべて第３図Ｂの単一走行で示され
た出力波形となることが共通の特徴てある。最も簡単な
構成は第７図Ａのような抵抗Ｒ１、コンデンサＣ１より
なる積分回路１９を用いるものであるが、これはＳ／Ｎ
比が悪いという欠点がある。このため第７図Ｂのように
再トリガ可能な単安定マルチバイブレータ用１Ｃ２０と
コンデンサＣ２抵抗Ｒ２を使用する方が優れており、こ
の楊合は単安定マルチバイブレータとしてテキサスイン
スツルメント社のＴＴＬＯ）ＩＣ（ＳＮ７４ｌ２２）を
用いたものである。これらはいずれもΔ又ＣＸＲで、Ｃ
，Ｒの値を変えたΔを任意に設定できる。更に臨界時間
の設定がサミールスイツチ、切換えスイッチ等によりデ
ジタル的に正確、且つ簡単に行なえる１例を第７図Ｃに
示す。第７図でクロックパルスはカウンタ２１の計数人
力に、回転パルスはカウンタ２１のクリア入力とフリッ
プフロップ２２のＳ入力に与えられる。カウンタ２１は
デコーダ２３に接続されて、その出力は臨界時間設定用
切換スイッチ２４、さらには単安定マルチバイブレータ
２５を介してフリップフロップ２２のＲ入力に与えられ
Ｑより出力が取りだされる。ここで第３図と関連させて
この回路の動作を説明すると、第１の回転パルスで、フ
リツプフロツ５プ２２の出力Ｑが１にセットされ、同時
にカウンタ２１がリセットされる。

しかし第２の回転パルスとの間隔時間ち≧Δであるので
、スイッチ２４で設定した臨界時間に達し、単安定マル
チバイブレータ２５が働いてフリップフロップ２２がリ
セ・ツトされ、出力Ｑは１から０に変わる。逆に第２第
３回転パルスにおいてはパルス間隔時間が、Ｔ２〈Δで
あるため、第２回転パルスでフリップフロップ２２がセ
ットされた後、第３回転パルスが臨界時間Δに達する前
に再びカウンタ２１をリセットするのでフリップフロッ
プ２２はリセットされず出力Ｑは１を保持する。上述の
臨界時間設定回路１２によつて発現した単一走行の回数
は単一走行発現回数計測回路１３により計数される。前
に説明したように臨界時間設定回路１２とクロックパル
ス発生回路８との出力はアンドゲート回路１４に入力し
、アンドゲート回路１４の出力は走行時間計測回路１５
に与えフられる。又１走行中ョはアンドゲート回路１４
が開き、クロックパルスは走行時間計測回路１５に入力
し、時間が計測されるが１停止中ョはゲートは閉じ時間
計測は行なわれない。なお第６図は１台の回転籠につき
１台のプリンタを使用した場合７を示すが、マルチプレ
クサを使用して数台の回転籠から情報を１台のプリンタ
で記録することができる。パンチヤ使用例ではデータ解
析の段階でコンピュータ処理によらなければならなかつ
たが、プリンタ使用例ではその手間が省けデータ整理が
・容易である。また通常の行動観測、薬効の評価にはプ
リンタ記録から得られるこれら３つの行動指標について
の情報で充分である。以上のように本発明では回転数を
唯一の指標にした従来の回転籠装置と較べると飛躍的に
行動の解析能が向上した。

又本発明による回転籠法の行動解析には平尾らの回廊法
の解析理論田本生理学雑誌ＢｌＯ（１９７３）〕を参考
にしているがこの回廊法では装置が大規模であること、
容量検出法などを使用しているため調整管理が繁雑なこ
と、また記録はすべてパンチヤによるためデータ処理に
手間がかかること等多くの問題をかかえている。しかし
本発明による回転籠装置では検出部から計測部まで全て
デジタル化されていて機器の管理も容易であり、プリン
タの使用によりデータ処理が簡単に行える等極めて実用
性の高い簡易な行動観測装置である。又図の実施例では
主として普通の発受光素子について述べたが発光素子と
して赤外線発光素子を用いれは光による動物行動への影
響は容易に排除でき、又第１図Ｃで示すような機械的接
点を用いて電気パルスを発するようにしてもよい。図面
の簡単な説明第１図Ａ，Ｂ，Ｃは回転籠と回転検出装置
の関係を説明するための簡略図で、Ａ，Ｂは回転検出部
に発受光素子を、Ｃは機械的接点を用いた場合で、Ａ，
Ｃは正面図、Ｂは平面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ マウス等小動物の自発運動を回転籠を用いて測定す
   る際光電変換装置或いは電気的開閉装置のような電気的
   信号変換装置を検出部として使用し、前記回転籠に取り
   付けた制御羽根がこの検出部を通過して発生する電気パ
   ルスが２入力型フリップフロップに入り回転籠の回転と
   同期した回転信号パルスを得、更に空間的要素としての
   回転数の他に時間的要素を加味した指標の計測を可能な
   らしめることを特徴とする回転籠を用いた小動物自発運
   動の自動計測記録装置。 ２ 検出部には発受光装置を２組用い、光束遮断羽根が
   検出部を通過した時各々の検出部で発生する電気パルス
   を２入力型フリップフロップに与え２入力で１個の出力
   パルスをとりだし回転信号パルスの正確な検出を行うこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の回転籠を用
   いた小動物自発運動の自動計測記録装置。 ３ 時間要素の１指標として１回転に要した時間の計測
   を可能なしめることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の回転籠を用いた小動物自発運動の自動計測記録装
   置。 ４ 回転籠の１回転に要した時間がある一定時間未満の
   走行状態と一定時間以上の走行から停止に移つた状態と
   を自動的に判別する電気的手段としての臨界時間設定回
   路を備え、それに基いた単一走行発現回数の計測を可能
   ならしめることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の回転籠を用いた小動物自発運動の自動計測記録装置。 ５ 任意の計測時間内に発現する単一走行の総所要時間
   の計測を可能ならしめることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の回転籠を用いた小動物自発運動の自動計
   測記録装置。