WO2014195997A1 - 動物実験装置 - Google Patents

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WO2014195997A1
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animal
data
test
unit
experiment
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French (fr)
Inventor
篤史 入來
由美子 山崎
ブランソン アーロン
Original Assignee
独立行政法人理化学研究所
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01K—ANIMAL HUSBANDRY; AVICULTURE; APICULTURE; PISCICULTURE; FISHING; REARING OR BREEDING ANIMALS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NEW BREEDS OF ANIMALS
    • A01K29/00—Other apparatus for animal husbandry
    • A01K29/005—Monitoring or measuring activity, e.g. detecting heat or mating
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01K—ANIMAL HUSBANDRY; AVICULTURE; APICULTURE; PISCICULTURE; FISHING; REARING OR BREEDING ANIMALS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NEW BREEDS OF ANIMALS
    • A01K1/00—Housing animals; Equipment therefor
    • A01K1/02—Pigsties; Dog-kennels; Rabbit-hutches or the like
    • A01K1/03—Housing for domestic or laboratory animals
    • A01K1/031—Cages for laboratory animals; Cages for measuring metabolism of animals

Definitions

  • the present invention relates to an animal experiment apparatus that collects and analyzes experimental data of test animals such as primates.
  • Non-Patent Document 1 As an animal experiment apparatus used for such an animal experiment, for example, as shown in Non-Patent Document 1, a cage constituting a living environment of a test animal, a plurality of chambers attached in the cage, A test unit for presenting a task to a test animal and performing a test for detecting the response of the test animal to the task, and a data storage unit for storing response data of the test animal detected by the test unit as a test result
  • the animal experiment apparatus provided with these is used.
  • the details of the experimental system are preset by the tester who performs the test.
  • a touch panel is prepared as a test unit, an image is projected as a problem on the touch panel, and a position on the image touched by a test animal that has seen the image is stored in a data storage unit as experimental data.
  • the experimental data stored in the data storage unit is analyzed by a tester using a predetermined method, so that the test animal is studied.
  • NewBehavior the company's homepage, the company's IntelliCage introduction page, [online], [searched May 27, 2013], Internet ⁇ URL: http://www.newbehavior.com/products/ic>
  • the test unit may optimize the test according to the progress of the animal experiment using the animal experiment apparatus. In other words, when a better test method is found as the animal experiment progresses, the test may be optimized according to this finding.
  • an object of the present invention is to provide an animal experiment apparatus that can automatically perform an optimization of a test performed in an animal experiment.
  • Another object of the present invention is to provide an animal experiment apparatus that can automatically perform new hypothesis proposal and verification in addition to test optimization.
  • Another object of the present invention is to provide an animal experiment apparatus capable of automatically analyzing experiment data in addition to test optimization and proposal and verification of a new hypothesis.
  • the animal experiment apparatus is an animal experiment apparatus that conducts a behavioral experiment of a test animal, and includes a cage that constitutes a living environment of the test animal, and a test animal that can be removably attached to the cage and that can enter the test animal.
  • a chamber a test unit that is provided in the chamber and presents a task to a test animal that has entered the chamber, detects a response of the test animal to the task, and obtains response data; and the cage and the chamber Presented by the test unit based on the experimental data, a position measuring device that measures the position of the test animal and obtains position data of the test animal, a data storage unit that stores the response data and the position data as experimental data And a problem improvement unit for improving the problem.
  • the animal experiment apparatus is the animal experiment apparatus according to the first aspect of the present invention, wherein the cage can be attached with a plurality of the chambers, and each of the plurality of chambers can present a different problem. It is characterized by being.
  • the animal experiment apparatus is the animal experiment apparatus according to the first or second aspect of the invention, wherein the animal experiment apparatus includes a problem proposing unit that proposes a hypothesis regarding the behavior of the test animal based on the analysis result. It is characterized by.
  • the animal experiment apparatus is the animal experiment apparatus according to any one of the first to third inventions, wherein the animal experiment apparatus analyzes the experiment data and obtains the result of the behavior experiment. An analysis unit is further provided.
  • the animal experiment apparatus according to the fifth invention is the animal experiment apparatus according to the fourth invention, characterized in that the experiment data is analyzed using a hidden Markov model.
  • An animal experiment apparatus is the animal experiment apparatus according to any one of the first to fifth inventions, wherein the test unit is a touch panel.
  • the animal experiment apparatus is the animal experiment apparatus according to any one of the first to sixth aspects, wherein the cage has a feeding, water supply and cleaning function.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an overall image of an animal experiment apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the animal experiment apparatus 1 includes a cage 2, eight chambers 3 attached to the cage 2, a position measuring device 4 attached to the test animal A in the cage 2, and a control device that controls the entire animal experiment apparatus 1. 5.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the cage 2 of the animal experiment apparatus 1 of FIG.
  • the cage 2 has a bowl-like configuration that serves as a living space for the test animal A, and a front and rear door 22 that can be opened and closed is provided on the front surface (+ Y direction in FIG. 2).
  • a total of eight openings 23 are provided on each side surface ( ⁇ X direction in FIG. 2).
  • a tray 24 that can be taken in and out in the ⁇ Y direction is provided at the bottom of the cage 2.
  • the cage body 21 has a lattice-like shape on the four front, back, left, and right side surfaces and the upper surface.
  • the cage body 21 is ventilated inside the cage body 21 and from the outside of the test animal A such as a primate inside the cage body 21. Visual recognition is possible.
  • the cage body 21 is configured by a lattice, the test animal A can easily move inside the cage body 21. Note that the number of test animals A housed in the cage body 21 can be adjusted according to the type of experiment.
  • the doors 22 are provided in pairs in the upper and lower stages of the cage body 21 in the Z direction, and are opened to the left and right in a so-called double-sided manner around the Z axis.
  • the various operations performed on the inside and outside of the cage body 21 and the inside of the cage body 21 are mainly performed by opening the door 22.
  • openings 23 There are a total of eight openings 23 on the left and right side surfaces of the cage body 21, and a total of eight openings 23 are attached to the openings 23 via any fixing means (not shown).
  • eight openings 23 are provided, but in the present invention, this number is arbitrary and can be increased or decreased according to the type of experiment, the number of test animals A, and the like.
  • the tray 24 is provided with a cleaning mechanism (not shown) that performs a cleaning function of the excrement of the test animal A that has fallen to the lower part of the cage body 21 and can be taken in and out of the cage body 21 in the ⁇ Y direction. Yes.
  • the tray 24 is also provided with a feeding mechanism responsible for feeding the test animal A and a water feeding mechanism responsible for the water feeding function. Since the tray 24 has these mechanisms, the test of the test animal A inside the cage body 21 can be performed over a long period of time without performing the breeding work by human hands during observation. It is possible to reduce the stress during the experiment of A and obtain experimental data with little artificial influence. In addition, you may provide a feeding mechanism and a water supply mechanism in the inner surface etc. of the cage main body 21 instead of in the tray 24. FIG. In this case, the tray 24 has only a cleaning mechanism.
  • the components provided in the tray 24 are connected to the control device 5. Even when a feeding mechanism or a water supply mechanism is not provided in the tray 24, these mechanisms are connected to the control device 5.
  • FIG. 3 is a perspective view showing the chamber 3 of the animal experiment apparatus 1 of FIG.
  • the chamber 3 has a bowl-like configuration and can be attached to the opening 23 of the cage body 21.
  • the chamber 3 includes a chamber body 31, an entrance / exit 32 provided on a side surface of the chamber body 31 located in the + X direction, a touch panel 33 attached to an open surface of the chamber body 31 located in the ⁇ X direction, And a controller 34 that performs data collection and data collection.
  • the chamber body 31 has a side surface located in the ⁇ X direction in FIG. 3 as an open surface, the other side surfaces are in a lattice shape, and an upper surface and a lower surface are flat.
  • a feeding mechanism and an air injection mechanism are provided inside the chamber body 31. Both the feeding mechanism and the air injection mechanism are connected to the controller 34.
  • the entrance / exit 32 has a cylindrical configuration provided in the + X direction of the chamber body 31 and serves as an entrance / exit of the test animal A into the chamber body 31.
  • the doorway 32 is provided with a sensor and an opening / closing mechanism (not shown). The sensor and the opening / closing mechanism are connected to a controller 34 described later.
  • the touch panel 33 is configured to provide a task for performing an experiment on the test animal A that has entered the chamber body 31, and to function as a test unit that detects the test animal's response to the task and obtains experimental data.
  • a tablet-type information processing terminal capable of performing various types of information processing by itself.
  • the touch panel 33 is connected to the controller 34.
  • the touch panel 33 incorporates an imaging mechanism such as a video camera so that an image of the test animal A in the chamber 3 is captured, and the image of the test animal A is displayed on the touch panel 33 provided in the other chamber 3. It is good also as a mode to project. By doing so, since test animals A in different chambers 3 can see each other's images, an experiment relating to communication between the test animals A can be performed.
  • FIG. 4 is a plan view showing the touch panel 33 provided in the chamber 3.
  • Various images are displayed on the screen 331 of the touch panel 33 as tasks for the test animal A, and operation information of the image 331 by the test animal A is obtained as experimental data.
  • a large circle 332 and a small circle 333 are displayed on the screen 331 as a problem.
  • test animal A visually observes the large circle 332 or the small circle 333 displayed on the screen 311, judges the size of the circle, and touches one of the circles.
  • test animal A responds to the task, and the response result is transmitted as response data to the control device 5 and used for various analyses, and is also transmitted to the controller 34 to reward the test animal A. And is used to grant punishment.
  • a large circle 332 and a small circle 333 are displayed on the screen 331 as problems to be presented to the test animal A.
  • the present invention is not limited to this, and other problems are displayed. Also good.
  • images of a plurality of shapes such as a circle, a rectangle, and a star shape may be displayed on the screen 311 and the response of the test animal A at this time may be detected.
  • a plurality of images having the same shape and different colors may be displayed on the screen 311 and the response of the test animal A at this time may be detected.
  • an image of a living organism such as an animal or an insect or an image of a plant such as a fruit or a tree may be displayed on the screen 311 and the response of the test animal A at this time may be detected.
  • a living organism such as an animal or an insect or an image of a plant such as a fruit or a tree
  • the response of the test animal A at this time may be detected.
  • an image or a video of another test animal A taken by the touch panel 33 provided in another chamber 3 may be displayed, and the response of the test animal A at this time may be detected.
  • an experiment relating to the social recognition ability of the test animal A can be performed.
  • the controller 34 is configured to control the opening / closing mechanism of the entrance / exit 32 and to give a reward or punishment to the test animal A according to the result of the experiment performed in the chamber 3.
  • the output from the sensor to the controller 34 is performed.
  • the controller 34 performs drive control of the opening / closing mechanism of the entrance / exit 32 based on this output. This drive control is performed, for example, so that only one test animal A can exist in the chamber body 31. In this way, it is possible to adjust the entrance / exit timing, the number of individuals, and the like of the test animal A entering / exiting the chamber body 31.
  • the controller 34 gives food as a reward through the feeding mechanism to the test animal A or punishes through the air injection mechanism according to the response result by the test animal A touching the touch panel 33.
  • an air jet For example, on the screen 311 shown in FIG. 4, when a large circle 332 is touched, bait as reward is given, and when a small circle 333 is touched, air injection is given as punishment.
  • the position measuring device 4 is attached to the test animal A for measuring the position of the test animal A, and uses the GPS (Global Positioning System), UWB (Ultra Wide Band) wireless communication, etc. It is a device that measures the position of.
  • the position information of the subject animal A measured by the position measuring device 4 is transmitted as position data from the position measuring device 4 directly or via the controller 34 to the control device 5.
  • an imaging mechanism such as a video camera may be provided in the cage 2 as the position measuring device 4, and the position information of the test animal A may be acquired by analyzing an image captured by the imaging mechanism.
  • FIG. 5 is a configuration block diagram showing the control device 5 of the animal experiment apparatus 1.
  • the control device 5 includes a control unit 51, an antenna 52, a display unit 53, an operation unit 54, and a data storage unit 55.
  • the control unit 51 includes a CPU 511 that controls the entire control unit 51, a ROM 512 that stores a control program that operates on the CPU 511, and a RAM 513 that temporarily stores various data.
  • the antenna 52 is an antenna for transmitting / receiving information to / from each component of the animal experiment apparatus 1, specifically, the touch panel 33 and the position measuring instrument 4, that is, transmitting / receiving response data and position data that are experimental data. is there. Further, when a biological reaction measurement mechanism such as an electroencephalograph or an electrocardiograph is attached to the test animal A, the antenna 52 is also used for transmission / reception of data obtained by these biological reaction measurement mechanisms.
  • a biological reaction measurement mechanism such as an electroencephalograph or an electrocardiograph
  • the display 53 is a configuration for displaying the setting status of the control device 5, the experimental data collected by the control device 5, the content of the proposed hypothesis, and the like.
  • the operation unit 54 is a configuration for the operator to perform various operations such as setting and changing the control device 5, and corresponds to a keyboard or the like.
  • the data storage unit 55 stores the position data of the test animal A measured by the position measuring instrument 4 and the response data obtained by the touch panel 33 as experimental data. Further, the data storage unit 55 stores task data used in the touch panel 33.
  • FIG. 6 is a functional block diagram of the control unit 51 of the control device 5.
  • the control unit 51 causes the CPU 511 to develop and execute a control program stored in the ROM 512 in the RAM 513, thereby executing the communication unit 511a, the problem acquisition unit 511b, the display unit 511c, the data analysis unit 511d, the problem improvement unit 511e, and the environment. It functions as a maintaining unit 511f and a hypothesis proposing unit 511g.
  • the communication unit 511a transmits and receives information to and from the touch panel 33 and the position measuring device 4 via the antenna 52.
  • the response data received from the touch panel 33 and the position data received from the position measuring device 4 are stored in the data storage unit 55.
  • the assignment acquisition unit 511b reads out the assignment data stored in the data storage unit 55.
  • the task data read by the task acquisition unit 511b is transmitted to the touch panel 33 via the antenna 52 by the communication unit 511a.
  • the display unit 511c causes the touch panel 33 to present a problem.
  • the data analysis unit 511d analyzes the experimental data and verifies the cognitive function and the like of the test animal A.
  • the analysis of the experimental data by the data analysis unit 511d is performed using a hidden Markov model.
  • Hidden Markov Model is a kind of probabilistic model, and it is assumed that the system is a Markov process whose parameters are unknown (a stochastic process with the property that future behavior is determined only by current values and is not related to past behavior) The unknown parameter is estimated from observable information.
  • the problem improvement unit 511e improves the problem presented to the test animal A in the chamber 3 according to the analysis result by the data analysis unit 511d.
  • Examples of the improvement content of the problem include exchange of each problem provided to the test animal A in each chamber 3, correction of the problem, change of timing and amount of remuneration and punishment, and the like.
  • the environment maintaining unit 511f controls a cleaning mechanism, a feeding mechanism, a water supply mechanism, and the like provided in the tray 24, and maintains the environment inside the cage 2 so that the test animal A can survive in a healthy state for a long time. To do.
  • the hypothesis proposing unit 511g proposes a hypothesis about the recognition, behavior, etc. of the test animal A based on the analysis result by the data analyzing unit 511d.
  • the proposed hypothesis is provided to the problem improvement unit 511e, and the problem is improved as necessary.
  • FIG. 7 is a flowchart showing an animal experiment method performed by the animal experiment apparatus according to the embodiment of the present invention.
  • the position of the test animal A is detected by the position measuring device 4 attached to the test animal A (step S1).
  • the position data of the test animal A detected at this time is transmitted from the position measuring device 4 to the control device 5 and stored in the data storage unit 55.
  • step S2 When the position information of the test animal A indicates any one of the eight chambers 3 (step S2: Yes), the display unit 511c of the control device 5 displays the touch panel 33 provided in the chamber 3 with respect to the touch panel 33. By providing a predetermined task, the task is provided to the test animal A (step S3).
  • step S2 No
  • the process returns to step S1 and the position detection of the test animal A is continued.
  • step S4 when the response of the test animal to the provided task is detected, that is, when contact with the task displayed on the touch panel 33 by the test animal A is detected (step S4: Yes), information on the response Is transmitted as response data to the control device and stored in the data storage unit 55 (step S5).
  • step SS4 If the test animal A is in the chamber 3 but no reaction is detected (step SS4: No), the process returns to step S3, and the assignment is continued until the reaction is detected.
  • step S6 when experimental data to the extent that data analysis by the data analysis unit 511d is possible, that is, when response data and position data are stored in the data storage unit 55 (step S6: Yes), an experiment by the data analysis unit 511d is performed. Data analysis is performed (step S7). If the amount of experimental data stored in the data storage unit is not an amount that allows data analysis by the data analysis unit 511d (step S6: No), the process returns to step S1 and the collection of experimental data is continued. .
  • step S8 the analysis result of the experiment data by the data analysis unit 511d is displayed on the display 54 (step S8), and the problem improvement unit 511e can improve the problem based on the analysis result of the experiment data. It is determined whether or not (step S9).
  • step S9 Yes
  • the problem improvement unit 511e improves the problem (step S10).
  • the hypothesis proposing unit 511g tries to propose a new hypothesis related to the test animal A based on the analysis result of the experimental data by the data analyzing unit 511d (step S11).
  • step S11 When a new hypothesis can be proposed (step S11: Yes), the hypothesis proposing unit 511g proposes a new hypothesis (step S12), and the task improvement unit 511e improves the task based on the new hypothesis. .
  • step S13: Yes when all the desired experiments regarding the test animal A are completed (step S13: Yes), the experiment using the test animal A by the animal experiment apparatus 1 is completed. On the other hand, when the desired experiment has not ended (step S13: No), the process returns to step S1 and a series of experiments is repeated.
  • step S9 when the problem cannot be improved in step S9 (step S9: No) and when a new hypothesis cannot be proposed in step S11 (step S11: No), the process proceeds to step S13.
  • the analysis of the test data of the test animal A and the optimization of the test can be automatically performed in real time, and the proposal and verification of a new hypothesis are automatically performed as well. Can be done in real time.
  • the hypothesis proposing unit 511g is omitted, and an automatic hypothesis is proposed. It is also possible to adopt a mode in which the above is not performed. Even in this case, the analysis of the test data of the test animal A and the optimization of the test can be automatically performed.
  • data analysis is performed by the data analysis unit 511d.
  • the data analysis unit 511d is omitted and automatic data analysis is performed. It is also possible to have a mode that does not. Even in this case, it is possible to automatically propose a new hypothesis regarding the test animal A and optimize the test.
  • the touch panel 33 is used as a test unit provided in the chamber 3, but the present invention is not limited to this, and a lever or a mechanical operation is required.
  • An operation mechanism such as a button may be provided to change the reward or punishment for lever pressing or button pressing by the test animal A.
  • a fence is provided for partitioning, and food is placed in a position that is not within reach of the test animal A across the fence.
  • the subject A may be given a problem that if a long rod is used, the bait can be brought close to it and a short rod cannot do it. By using this subject, it is possible to conduct an experiment on the ability of the subject A to recognize the length of the object and the ability to use the tool.
  • transmission / reception of data between the components in the animal experiment apparatus 1 may be performed in any of wired or wireless formats.
  • the response data and the position data of the test animal A are collected as the experiment data.
  • the voice data such as the cry of the test animal A may be collected and stored in the data storage unit 55 and analyzed by the data analysis unit 511d.
  • the hidden Markov model is used for the analysis of the experimental data.
  • the present invention is not limited to this, and other analysis methods may be used.

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Abstract

　動物実験において行われるテストの最適化を自動的に行うことのできる動物実験装置を提供するため、被験動物Ａの行動実験を行う動物実験装置１であって、被験動物Ａの居住環境を構成するケージ２と、ケージ２に着脱可能に取り付けられるチャンバ３と、チャンバ３内に設けられ、被験動物Ａに課題を提示するとともに被験動物Ａの応答を検出し応答データを得るタッチパネル３３と、ケージ２及びチャンバ３内の被験動物Ａの位置を測定し位置データを得る位置計測器４と、応答データ及び位置データを実験データとして記憶するデータ記憶部５５と、実験データに基づきタッチパネル３３により提示される課題の改善を行う課題改善部５１１ｅと、を備える。

Description

動物実験装置
　本発明は、霊長類等の被験動物の実験データを収集し解析する動物実験装置に関する。
　霊長類やマウス等の被験動物を用いてこれらの脳機能や疾患、遺伝子が行動に及ぼす影響等の研究を行う場合、所定の実験環境下で動物実験を行い、得られた実験データを収集して解析することが行われている。
　このような動物実験に用いられる動物実験装置として、例えば、非特許文献１に示されているように、被験動物の居住環境を構成するケージと、ケージ内に取り付けられる複数のチャンバと、チャンバ内に設けられ、被験動物に課題を提示するとともに、この課題に対する被験動物の応答を検出するテストを行うテスト部と、テスト部により検出された被験動物の応答データをテスト結果として記憶するデータ記憶部と、を備える動物実験装置が用いられている。
　こうしたテストにおける課題の内容やその提示方法等、実験系の詳細は、試験を行う試験者により予め設定される。例えば、テスト部としてタッチパネルを用意するとともに、このタッチパネルに課題として画像を映し出し、画像を見た被験動物が触れた画像上の位置を実験データとしてデータ記憶部に記憶することが行われている。
　そして、データ記憶部に記憶された実験データは、試験者により所定の手法を用いて解析されることで、被験動物の研究が行われる。
ＮｅｗＢｅｈａｖｉｏｒ社、同社ホームページ、同社製品ＩｎｔｅｌｌｉＣａｇｅ紹介ページ、[ｏｎｌｉｎｅ]、[２０１３年５月２７日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.newbehavior.com/products/ic＞
　ところで、上述した従来の動物実験装置により得られた被験動物の実験データは、試験者が自ら解析する必要があるため、解析に長時間を要し、また、実験データが膨大である場合には、解析自体が困難なものとなっていた。
　また、動物実験装置を用いた動物実験の進行に応じて、テスト部によるテストの最適化が行われる場合がある。すなわち、動物実験の進行に応じてより良いテストの方法が見出された場合には、この知見に応じてテストの最適化が行われることがある。
　しかし、上述した従来の動物実験装置では、テストの最適化を行うためには試験者が自ら膨大な実験データ等を検討する必要があり、多大な労力を要していた。そのため、テストの最適化を自動的に行うことのできる動物実験装置があれば望ましい。
　さらに、得られた実験データに基づき被験動物に関する新たな仮説を提案することと、この仮説の検証についても試験者が自ら行う必要があり、これらもまた多大な労力を要するものであった。そのため、新たな仮説の提案と検証も自動的に行うことのできる動物実験装置があれば更に望ましい。
　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、動物実験に際して行われるテストの最適化を自動的に行うことのできる動物実験装置を提供することを目的とする。
　また、本発明は、テストの最適化に加え、新たな仮説の提案と検証についても自動的に行うことのできる動物実験装置を提供することを目的とする。
　また、本発明は、テストの最適化と新たな仮説の提案及び検証に加え、実験データの解析も自動的に行うことのできる動物実験装置を提供することを目的とする。
　第１発明に係る動物実験装置は、被験動物の行動実験を行う動物実験装置であって、被験動物の居住環境を構成するケージと、前記ケージに着脱可能に取り付けられる、被験動物が進入可能なチャンバと、前記チャンバ内に設けられ、前記チャンバ内に進入した被験動物に課題を提示するとともに、前記課題に対する被験動物の応答を検出し応答データを得るテスト部と、前記ケージ及び前記チャンバ内の被験動物の位置を測定し、被験動物の位置データを得る位置計測器と、前記応答データ及び前記位置データを実験データとして記憶するデータ記憶部と、前記実験データに基づき前記テスト部により提示される前記課題の改善を行う課題改善部と、を備えることを特徴とする。
　第２発明に係る動物実験装置は、第１発明に係る動物実験装置において、前記ケージは複数の前記チャンバを取り付けることが可能であるとともに、複数の前記チャンバのそれぞれが、異なる前記課題を提示可能であることを特徴とする。
　第３発明に係る動物実験装置は、第１発明又は第２発明に係る動物実験装置において、前記動物実験装置は、前記解析結果に基づき被験動物の行動に関する仮説を提案する課題提案部を備えることを特徴とする。
　第４発明に係る動物実験装置は、第１発明乃至第３発明の何れか１つの発明に係る動物実験装置において、前記動物実験装置は、前記実験データを解析し前記行動実験の結果を得るデータ解析部を更に備えることを特徴とする。
　第５発明に係る動物実験装置は、第４発明に係る動物実験装置において、前記実験データを隠れマルコフモデルを用いて解析することを特徴とする。
　第６発明に係る動物実験装置は、第１発明乃至第５発明の何れか１つの発明に係る動物実験装置において、前記テスト部はタッチパネルであることを特徴とする。
　第７発明に係る動物実験装置は、第１発明乃至第６発明の何れか１つの発明に係る動物実験装置において、前記ケージは給餌、給水及び清掃機能を備えていることを特徴とする。
　上述した構成からなる第１発明乃至第７発明によれば、動物実験に際して行われるテストの最適化を自動的に行うことが可能となる。
　また、上述した構成からなる第３発明乃至第７発明によれば、新たな仮説の提案と検証についても自動的に行うことが可能となる。
　また、上述した構成からなる第４発明乃至第７発明によれば、更に実験データの解析も自動的に行うことが可能となる。
本発明の実施形態に係る動物実験装置の全体を示す斜視図である。 動物実験装置のケージを示す斜視図である。 動物実験装置のチャンバを示す斜視図である。 チャンバに設けられているタッチパネルを示す平面図である。 動物実験装置の制御装置を示す構成ブロック図である。 制御装置の制御部の機能ブロック図である。 本発明の実施形態に係る動物実験装置により行われる動物実験方法を示すフローチャートである。
　以下、本発明の実施形態に係る動物実験装置について詳細に説明する。
　図１は、本発明の実施形態に係る動物実験装置の全体像を示す斜視図である。動物実験装置１は、ケージ２と、ケージ２に取り付けられた８つのチャンバ３と、ケージ２内の被験動物Ａに取り付けられた位置計測器４と、動物実験装置１全体の制御を行う制御装置５とを備えて構成されている。
　図２は、図１の動物実験装置１のケージ２を示す斜視図である。ケージ２は、被験動物Ａの居住空間となる篭状の構成であり、ケージ本体２１の正面（図２の＋Ｙ方向）には上下２段の開閉可能な扉２２が設けられているとともに、左右（図２の±Ｘ方向）側面にはそれぞれ４つ、合計８つの開口部２３が設けられている。また、ケージ２の下部には±Ｙ方向に出し入れ可能なトレイ２４が設けられている。
　ケージ本体２１は、前後左右の４つの側面と上面とがいずれも格子状となっていて、ケージ本体２１内部への通気と、ケージ本体２１内部にいる霊長類等の被験動物Ａの外部からの視認が可能となっている。また、ケージ本体２１が格子により構成されていることで、被験動物Ａは、ケージ本体２１内部を移動しやすくなっている。なお、ケージ本体２１内部に収容される被験動物Ａの数は実験の種類に応じて調整することができる。
　扉２２は、ケージ本体２１のＺ方向の上段と下段にそれぞれ１対ずつ設けられていて、Ｚ軸を中心として、いわゆる観音開き状に左右に開くようになっている。ケージ本体２１への被験動物Ａの出し入れや、ケージ本体２１内部について行う各種操作は、主にこの扉２２を開いて行われる。
　開口部２３は、ケージ本体２１の左右側面にそれぞれ４つずつ、合計８つ設けられていて、この開口部２３に対して図示しない任意の固定手段を介してチャンバ３が取り付けられる。なお、本実施形態では開口部２３は８つ設けられているが、本発明においてはこの数は任意であり、実験の種類や被験動物Ａの数等に応じて増減させることができる。
　トレイ２４は、ケージ本体２１の下部に落下した被験動物Ａの排泄物等の清掃機能を担う、図示しない清掃機構が設けられていて、ケージ本体２１に対して±Ｙ方向に出し入れ可能となっている。
　また、トレイ２４には、被験動物Ａに対する給餌機能を担う給餌機構や、給水機能を担う給水機構も設けられている。トレイ２４がこれらの機構を有することで、ケージ本体２１内部にいる被験動物Ａの実験を、観察中に人の手による飼育作業を行うことなく長期間にわたって行うことが可能となるとともに、被験動物Ａの実験中のストレスを低減し、人為的な影響の少ない実験データを得ることができる。なお、給餌機構や給水機構をトレイ２４内ではなく、ケージ本体２１の内側面等に設けてもよい。この場合、トレイ２４は清掃機構のみを有するものとなる。
　トレイ２４が＋Ｙ方向に引き出された状態では、トレイ２４内部の各構成がケージ本体２１外部に露出した状態となる。そのため、作業員がトレイ２４内部に設けられた各構成に対する清掃等の維持管理作業を行うことができる。
　なお、トレイ２４内に設けられている各構成は、制御装置５に接続されている。また、給餌機構や給水機構をトレイ２４内に設けない場合でも、これらの機構は制御装置５に接続される。
　図３は、図１の動物実験装置１のチャンバ３を示す斜視図である。チャンバ３は篭状の構成であり、ケージ本体２１の開口部２３に取付可能となっている。
　このチャンバ３は、チャンバ本体３１と、チャンバ本体３１の＋Ｘ方向に位置する側面に設けられた出入口３２と、チャンバ本体３１の－Ｘ方向に位置する開放面に取り付けられたタッチパネル３３と、チャンバ３の制御とデータ収集を行う制御器３４とを備えて構成されている。
　チャンバ本体３１は、図３における－Ｘ方向に位置する側面が開放面となっているとともに、その他の側面はいずれも格子状であり、上面および下面が平板状となっている。また、チャンバ本体３１内部には図示しない給餌機構及びエア噴射機構が設けられている。給餌機構及びエア噴射機構は、ともに制御器３４に接続されている。
　出入口３２は、チャンバ本体３１の＋Ｘ方向に設けられた筒状の構成であり、チャンバ本体３１内部への被験動物Ａの出入口となっている。この出入口３２には、図示しないセンサおよび開閉機構が設けられている。センサ及び開閉機構は、後述する制御器３４に接続されている。
　タッチパネル３３は、チャンバ本体３１内部に進入した被験動物Ａに対する実験を行うための課題を提供するとともに、この課題に対する被験動物の反応を検出し実験データを得るテスト部として機能する構成である。このタッチパネル３３として、自機で各種の情報処理を行いうるタブレット型の情報処理端末を用いることが好ましい。タッチパネル３３は、制御器３４に接続されている。なお、このタッチパネル３３にビデオカメラ等の撮像機構を内臓し、チャンバ３内にいる被験動物Ａの画像を撮像するとともに、他のチャンバ３内に設けられたタッチパネル３３にこの被験動物Ａの画像を映す態様としてもよい。こうすることで、異なるチャンバ３内にいる被験動物Ａ同士が相互の画像を見ることができるため、被験動物Ａ間のコミュニケーションに関する実験を行うことができる。
　図４は、チャンバ３に設けられているタッチパネル３３を示す平面図である。タッチパネル３３の画面３３１には、各種画像が被験動物Ａに対する課題として表示され、被験動物Ａによる画像３３１の操作情報が実験データとして得られる。
　図４に示す例では、課題として画面３３１に大きな円３３２と小さな円３３３が表示されている。こうした課題を用いることで、被験動物Ａの物体の大小判定能力と記憶力に関する実験を行うことができる。
　この実験では、被験動物Ａはこの画面３１１に表示された大きな円３３２又は小さな円３３３を目視し円の大小を判断し、いずれかの円に触れる。
　この接触により被験動物Ａは課題に応答したことになり、この応答結果は応答データとして制御装置５に送信され、各種解析に用いられるとともに、制御器３４にも送信され、被験動物Ａへの報酬や罰の付与に用いられる。
　なお、本実施形態においては被験動物Ａに提示される課題として、大きな円３３２と小さな円３３３が画面３３１に表示されているが、本発明においてはこれに限らず、他の課題が表示されても良い。
　例えば、課題として画面３１１に円や四角形、星型等の複数の形状の画像を表示し、このときの被験動物Ａの応答を検知しても良い。この課題を用いることで、被験動物Ａの図形判別能力と記憶力に関する実験を行うことができる。
　また、課題として画面３１１に形状が同一であり色彩のみが異なる複数の画像を表示し、このときの被験動物Ａの応答を検知しても良い。この課題を用いることで、被験動物Ａの色彩判別能力と記憶力に関する実験を行うことができる。
　また、課題として画面３１１に動物や昆虫等の生物の画像や、果物や樹木等の植物の画像を表示し、このときの被験動物Ａの応答を検知しても良い。この課題を用いることで、被験動物Ａの対象分類能力や概念形成能力に関する実験を行うことができる。
　また、課題として他のチャンバ３に設けられたタッチパネル３３により撮影された他の被験動物Ａの画像や動画を表示し、このときの被験動物Ａの応答を検知しても良い。この課題を用いることで、被験動物Ａの社会的認識能力に関する実験を行うことができる。
　制御器３４は、出入口３２の開閉機構の制御と、チャンバ３内で行われる実験結果に応じた被験動物Ａへの報酬や罰の付与を行う構成である。
　具体的には、出入口３２に設けられたセンサが出入口３２に進入しようとする被験動物Ａを捉えると、センサから制御器３４への出力が行われる。制御器３４は、この出力に基づき出入口３２の開閉機構の駆動制御を行う。この駆動制御は、例えばチャンバ本体３１内に被験動物Ａが１体のみ存在可能であるように行われる。こうしてチャンバ本体３１に出入りする被験動物Ａの出入タイミングや個体数等を調節することが可能となっている。
　また、制御器３４は、被験動物Ａがタッチパネル３３に触れることによる応答結果に応じて、被験動物Ａに対し、給餌機構を介して報酬としての餌を与えるか、又はエア噴射機構を介して罰としてのエア噴射を与える。例えば、図４に示す画面３１１では、大きな円３３２に触れると報酬としての餌が与えられ、小さな円３３３に触れると罰としてエア噴射が与えられる。
　位置計測器４は、被験動物Ａに取り付けられて被験動物Ａの位置を測定するためのものであり、ＧＰＳ（Global Positioning System）やＵＷＢ（Ultra Wide Band）無線通信等を利用し、被験動物Ａの位置を測定する機器である。位置計測器４により計測された被験動物Ａの位置情報は位置データとして位置計測器４から直接、または制御器３４を経由して制御装置５に送信される。なお、位置計測器４としてケージ２内にビデオカメラ等の撮像機構を設け、この撮像機構により撮像された画像を解析することにより被験動物Ａの位置情報を取得してもよい。
　制御装置５は、動物実験装置１に設けられた各構成の制御を行う。図５は、動物実験装置１の制御装置５を示す構成ブロック図である。制御装置５は、制御部５１、アンテナ５２、表示部５３、操作部５４及びデータ記憶部５５を備えて構成されている。
　制御部５１は、制御部５１全体を制御するＣＰＵ５１１と、ＣＰＵ５１１上で動作する制御プログラム等を格納したＲＯＭ５１２と、各種データを一時的に格納するためのＲＡＭ５１３と、を備えて構成されている。
　アンテナ５２は、動物実験装置１の各構成、具体的にはタッチパネル３３及び位置計測器４等との情報の送受信、すなわち、実験データである応答データと位置データの送受信等を行うためのアンテナである。また、被験動物Ａに脳波測定器や心電図測定器等の生体反応測定機構を取り付けた場合には、アンテナ５２は、これらの生体反応測定機構により得られたデータの送受信にも用いられる。
　ディスプレイ５３は、制御装置５の設定状況や、制御装置５収集された実験データ、提案された仮説の内容等の表示を行うための構成である。
　操作部５４は、操作者が制御装置５に対する設定やその変更等の各種操作を行うための構成であり、キーボード等が該当する。
　データ記憶部５５は、位置計測器４により測定された被験動物Ａの位置データと、タッチパネル３３により得られた応答データを実験データとして記憶する。また、データ記憶部５５は、タッチパネル３３において用いられる課題データを記憶する。
　図６は、制御装置５の制御部５１の機能ブロック図である。制御部５１は、ＣＰＵ５１１がＲＯＭ５１２に格納されている制御プログラムをＲＡＭ５１３に展開して実行することにより、通信部５１１ａ、課題取得部５１１ｂ、表示部５１１ｃ、データ解析部５１１ｄ、課題改善部５１１ｅ、環境維持部５１１ｆ及び仮説提案部５１１ｇとして機能する。
　通信部５１１ａは、アンテナ５２を介してタッチパネル３３及び位置計測器４等との情報の送受信を行う。タッチパネル３３から受信した応答データ及び位置計測器４から受信した位置データは、データ記憶部５５に記憶される。
　課題取得部５１１ｂは、データ記憶部５５に記憶されている課題データの読み出しを行う。課題取得部５１１ｂにより読み出された課題データは、通信部５１１ａによりアンテナ５２を介してタッチパネル３３へと送信される。
　表示部５１１ｃは、タッチパネル３３に対して課題の提示を行わせる。
　データ解析部５１１ｄは、実験データの解析を行い、被験動物Ａについて認知機能等の検証を行う。データ解析部５１１ｄによる実験データの解析は、隠れマルコフモデルを用いて行われる。
　隠れマルコフモデルは、確率モデルの一種であり、システムがパラメータ未知のマルコフ過程（未来の挙動が現在の値だけで決定され、過去の挙動と無関係であるという性質を持つ確率過程）であると仮定し、観測可能な情報からその未知のパラメータを推定する手法である。
　課題改善部５１１ｅは、データ解析部５１１ｄによる解析結果に応じて、チャンバ３において被験動物Ａに提示される課題の改善を行う。課題の改善内容としては、各チャンバ３において被験動物Ａに提供されるそれぞれの課題の交換や、課題の修正、報酬と罰のタイミングや量の変更等が挙げられる。
　環境維持部５１１ｆは、トレイ２４の内部に設けられている清掃機構、給餌機構、給水機構等を制御し、ケージ２内部の環境を、被験動物Ａが長期間健康な状態で生存できるように維持する。
　仮説提案部５１１ｇは、データ解析部５１１ｄによる解析結果に基づき、被験動物Ａの認知や行動等についての仮説を提案する。提案された仮説は、課題改善部５１１ｅに提供され、必要に応じて課題の改善が行われる。
　次に、上述した構成を備える動物実験装置１により行われる動物実験について説明する。図７は、本発明の実施形態に係る動物実験装置により行われる動物実験方法を示すフローチャートである。
　まず、被験動物Ａに取り付けられた位置計測器４により、被験動物Ａの位置の検出が行われる（ステップＳ１）。このとき検出される被験動物Ａの位置データは、位置計測器４から制御装置５へと送信され、データ記憶部５５に記憶される。
　被験動物Ａの位置情報が、８つあるチャンバ３のうち何れか１つの中を示す場合（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、制御装置５の表示部５１１ｃは、そのチャンバ３に設けられたタッチパネル３３に対して所定の課題を提示させることで、被験動物Ａに対する課題の提供が行われる（ステップＳ３）。
　なお、被験動物Ａの位置情報がチャンバ３内ではない場合（ステップＳ２：Ｎｏ）、ステップＳ１に戻り、被験動物Ａの位置検出が継続される。
　次に、提供された課題に対する被験動物の反応が検出された場合、すなわち、被験動物Ａによるタッチパネル３３に表示された課題への接触が検出された場合（ステップＳ４：Ｙｅｓ）、その反応の情報が応答データとして制御装置に送信され、データ記憶部５５に記憶される（ステップＳ５）。
　なお、被験動物Ａがチャンバ３内にいるものの、反応が検出されない場合（ステップＳＳ４：Ｎｏ）、ステップＳ３に戻り、反応が検出されるまで課題の提供が継続される。
　次に、データ解析部５１１ｄによるデータ解析が可能となる程度の実験データ、すなわち、応答データと位置データとがデータ記憶部５５に記憶された場合（ステップＳ６：Ｙｅｓ）、データ解析部５１１ｄによる実験データの解析が行われる（ステップＳ７）。なお、データ記憶部に記憶されている実験データの量が、データ解析部５１１ｄによるデータ解析を行いうる量ではない場合（ステップＳ６：Ｎｏ）、ステップＳ１に戻り、実験データの収集が継続される。
　次に、データ解析部５１１ｄによる実験データの解析結果がディスプレイ５４に表示されるとともに（ステップＳ８）、課題改善部５１１ｅは、この実験データの解析結果に基づいて、課題の改善が可能であるか否かを判断する（ステップＳ９）。
　課題の改善が可能である場合（ステップＳ９：Ｙｅｓ）、課題改善部５１１ｅは課題の改善を行う（ステップＳ１０）。
　次に、仮説提案部５１１ｇは、データ解析部５１１ｄによる実験データの解析結果に基づき、被験動物Ａに関する新たな仮説の提案を試みる（ステップＳ１１）。
　新たな仮説の提案が可能である場合（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、仮説提案部５１１ｇは新たな仮説を提案し（ステップＳ１２）、課題改善部５１１ｅはこの新たな仮説に基づいて課題の改善を行う。
　そして、被験動物Ａに関する所望の実験が全て終了した場合（ステップＳ１３：Ｙｅｓ）、動物実験装置１による被験動物Ａを用いた実験は終了する。一方、所望の実験が終了していない場合には（ステップＳ１３：Ｎｏ）、ステップＳ１に戻り、一連の実験が繰り返される。
　また、ステップＳ９において課題の改善が不能である場合（ステップＳ９：Ｎｏ）及びステップＳ１１において新たな仮説の提案が不能である場合（ステップＳ１１：Ｎｏ）も、ステップＳ１３へと移行する。
　上述した実施形態に係る動物実験装置１によると、被験動物Ａの実験データの解析とテストの最適化を自動的にリアルタイムで行うことができるとともに、新たな仮説の提案と検証も同様に自動的にリアルタイムで行うことができる。
　なお、上述した実施形態に係る動物実験装置１では、仮説提案部５１１ｇによる新たな仮説の提案が行われていたが、本発明においてはこの仮説提案部５１１ｇを省略し、自動的な仮説の提案を行わない態様とすることも可能である。この場合でも、被験動物Ａの実験データの解析やテストの最適化を自動的に行うことができる。
　また、上述した実施形態に係る動物実験装置１では、データ解析部５１１ｄによるデータの解析が行われていたが、本発明においてはこのデータ解析部５１１ｄを省略し、自動的なデータの解析を行わない態様とすることも可能である。この場合でも、被験動物Ａに関する新たな仮説の提案とテストの最適化を自動的に行うことができる。
　また、上述した実施形態に係る動物実験装置１では、チャンバ３内に設けられたテスト部としてタッチパネル３３が用いられていたが、本発明においてはこれに限らず、機械的な操作を要するレバーやボタン等の操作機構を設け、被験動物Ａによるレバー押しやボタン押しに対する報酬や罰を変化させることを課題としても良い。この課題を用いることで、被験動物Ａのフィードバックへの感受性に関する実験を行うことができる。
　また、テスト部として画像を撮影するカメラや動画を撮影するビデオカメラを設けるとともに、柵で仕切りを設け、この柵を挟んで被験動物Ａの手の届かない位置に餌を置くとともに、長短２つの棒であって、長い棒を用いれば餌を手繰り寄せることができ、短い棒ではそれができないという課題を被験動物Ａに与えても良い。この課題を用いることで、被験動物Ａの物体の長短認識能力と道具使用能力に関する実験を行うことができる。
　また、上述した実施形態に係る動物実験装置１における各構成間のデータの送受信は、有線又は無線の何れの形式により行われても良い。
　また、上述した実施形態に係る動物実験装置１では、実験データとして被験動物Ａの応答データ及び位置データが収集されるが、本発明においてはこれに限らず、更にマイク等の周音手段を用いて被験動物Ａの鳴き声等の音声データが収集され、同様にデータ記憶部５５に記憶されるとともに、データ解析部５１１ｄにより解析される態様としても良い。
　また、上述した実施形態に係る動物実験装置１では、実験データの解析に隠れマルコフモデルが用いられていたが、本発明においてはこれに限らず、他の解析方法が用いられても良い。
１　動物実験装置
２　ケージ
３　チャンバ
４　位置計測器
５　制御装置
２１　ケージ本体
２２　扉
２３　開口部
２４　トレイ
３１　チャンバ本体
３２　出入口
３３　タッチパネル
３４　制御器
５１　制御部
５２　アンテナ
５３　表示部
５４　ディスプレイ
５５　データ記憶部
３３１　画面
３３２　大きな丸
３３３　小さな丸
５１１　ＣＰＵ
５１２　ＲＯＭ
５１３　ＲＡＭ
５１１ａ　通信部
５１１ｂ　課題取得部
５１１ｃ　表示部
５１１ｄ　データ解析部
５１１ｅ　課題改善部
５１１ｆ　環境維持部
５１１ｇ　仮説提案部
Ａ　被験動物

Claims (7)

  1. 　被験動物の行動実験を行う動物実験装置であって、
    　被験動物の居住環境を構成するケージと、
    　前記ケージに着脱可能に取り付けられる、被験動物が進入可能なチャンバと、
    　前記チャンバ内に設けられ、前記チャンバ内に進入した被験動物に課題を提示するとともに、前記課題に対する被験動物の応答を検出し応答データを得るテスト部と、
    　前記ケージ及び前記チャンバ内の被験動物の位置を測定し、被験動物の位置データを得る位置計測器と、
    　前記応答データ及び前記位置データを実験データとして記憶するデータ記憶部と、
    　前記実験データに基づき前記テスト部により提示される前記課題の改善を行う課題改善部と、
    を備えることを特徴とする動物実験装置。
  2. 　前記ケージは複数の前記チャンバを取り付けることが可能であるとともに、複数の前記チャンバのそれぞれが、異なる前記課題を提示可能であることを特徴とする請求項１記載の動物実験装置。
  3. 　前記動物実験装置は、前記実験データに基づき被験動物の行動に関する仮説を提案する課題提案部を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の動物実験装置。
  4. 　前記動物実験装置は、前記実験データを解析し前記行動実験の結果を得るデータ解析部を更に備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の動物実験装置。
  5. 　前記データ解析部は、前記実験データを隠れマルコフモデルを用いて解析することを特徴とする請求項４記載の動物実験装置。
  6. 　前記テスト部はタッチパネルであることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の動物実験装置。
  7. 　前記ケージは給餌、給水及び清掃機能を備えていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項記載の動物実験装置。
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CN107024951A (zh) * 2017-05-19 2017-08-08 中国矿业大学 一种模拟地铁环境的老鼠实验装置及其实验方法

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