JP6579671B2 - 動物の運動量測定方法 - Google Patents

Description

この発明は、動物実験等における動物の運動量を測定する方法に関するものである。

動物実験では、薬剤や毒物の投与による影響を観察するために、一般的に動物の体重を継続的に測定することが行われている。体重の増減は生体の体調を評価する有効な因子であるが、近年では、動物の運動量を何らかの手法で定量化し、生体の活性度を測定したいという要求がある。

動物の運動量を定量化する手法として、
（１）光の通路を定めて発光素子および受光素子を配置し、その光路を動物が通過した回数を計測する光学式（特許文献１）、
（２）ＣＣＤカメラによって動物を飼育するケージ全体を撮影し、ケージ内に設定した各エリアに動物が入った回数を計測する方式：（特許文献２）、
（３）動物にＲＦＩＤタグを取りつけＲＦＩＤリーダの位置情報に基づいて移動軌跡を測定する方式（特許文献３）、
（４）ケージ内に回転かごを入れ、回転かごの回転数を計測する方式、
等がよく知られている。
（５）この他に、動物を天秤の測定台に載せ、この計量値を設定時間取得し、予め測定した前記動物の静荷重と前記計量値との差の絶対値を時間積算し、この積算値を動物の活動量とする手法がある（特許文献４）。

特開平７−１８４５１５号公報 特開平８−３２９５９号公報 特開２００２−５８６４８号公報 特開平６−１３３９５６号公報

しかし、上記（１）〜（４）の手法で得られるデータは、動物が往来した回数やかごの回転数というデジタルカウントであり、そのカウント数の意味する物理量を考えることが難しい。上記（５）の手法では、得られるデータは測定台の計量値であるので、餌や水の食べこぼしが運動量に影響を与えるおそれがあり、また、週齢により動物の体重が増加していったときに、同じ動きであっても体重増加後のほうが計量値変化が大きくなり、運動量を大きく評価してしまうという問題がある。

本発明の目的は、上記の問題を解決するためのものであり、動物の運動量の新たな測定方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の動物の運動量測定方法は、被測定対象となる動物の計量値を計量器で連続的に測定し、時系列で得られた前記計量値の変化量を算出し、前記計量値の変化量と前記動物の体重との除算から、動物の運動量を測定することを特徴とする。

本発明のある態様の動物の運動量測定方法は、被測定対象となる動物の計量値を計量器で連続的に測定し、所定の運動量算出間隔を設定し、最新の計量値とその１回前の計量値との差分を計算し、前記差分の絶対値を積算した積算値を算出し、前記運動量算出間隔毎に、前記積算値を運動量算出間隔における動物の体重の平均値または運動量算出間隔における一の時点での動物の体重で割った値を算出し動物の運動量として定義することを特徴とする。

上記態様において、前記運動量が算出された時間を一方の軸にとり、前記運動量を他の軸にとり、前記運動量を可視化して出力するのも好ましい。

上記態様において、前記計量値は、動物の飼育容器内に前記計量器の計量皿を配置した形態で取得されたものを使用するのも好ましい。

上記態様において、前記動物の体重は、前記計量器の計量皿に動物が乗ったと判別された時の計量値と前記計量皿から動物が降りたと判別された時の計量値との差で確定されるのも好ましい。

本発明によれば、計量値を連続して測定する計量器を利用し、計量値の変化量と計量値から算出された動物の体重との除算により、単位が無次元化された値を運動量として新規に定義する。これにより、生体の個体間及び生育過程における体重差を解消し、かつ生体の体重の変動を基本とした動物の運動量が測定できる。

実施の形態に係る動物の運動量測定システムの構成ブロック図である。 図１のシステムに用いられる動物用体重計の右側面図である。 実施の形態に係る動物の運動量測定方法のフローチャートである。 図３のフローチャートにおける体重の測定方法のフローチャートである。 実施の形態で得られた運動量を可視化したグラフである。 実施の形態で得られた運動量を可視化したグラフである。 実施の形態で得られた運動量と比較例で得られた運動量の違いを示す図である。

次に、本発明の好適な実施の形態について図面に基づき説明する。
（システムの構成）
図１に示すように、本形態の動物の運動量測定システム１（以下、単にシステム１とする）は、動物用体重計２と、解析装置３を有する。本システム１に好適な動物用体重計２は、以下のように、計量皿２７が飼育容器２２内（飼育空間２０内）に配置され、質量センサ２５は飼育空間２０の外に配置されている。

動物用体重計２は、図２に示すように、計量器２１（天秤）と、飼育容器２２（飼育ケージ）と、支持ケース２３と、無線送信機２４を有する。なお、図２では、計量皿２７の配置の構成が理解できるように、計量器２１を断面図で示している。

計量器２１は、質量センサ２５を内蔵する本体ケース２６と、計量皿２７と、皿支柱２８と、周壁部２９を有する。質量センサ２５は、電磁平衡式、歪ゲージ式、または静電容量式などが採用でき、計量皿２７上に載ったものの計量データを取得する。計量皿２７に代えて、動物の運動用遊具や休息用の巣箱などを利用することもできる。質量センサ２５は、実験対象となる動物の体重に応じたひょう量や最小表示（計量値の読み取り精度）、強度性能の要求に応じて適宜選定されてよい。

皿支柱２８は、計量皿２７と質量センサ２５を連結する中空部材であり、質量センサ２５に固定され、質量センサ２５から上方に垂直方向に延びている。皿支柱２８は、計量皿２７を飼育容器２２内に突出させるための所要の長さ（高さ）を有する。周壁部２９は、本体ケース２６から突出した皿支柱２８を周方向に囲う中空部とそのベース部からなり、本体ケース２６の上面に固定される。

実験中、動物は飼育容器２２内（飼育空間２０）で飼育されている。容器の底面には、皿支柱２８および周壁部２９を通すための底面開口部３０が形成されている。周壁部２９と底面開口部３０の間には、隙間を無くすためのダイアフラム３１が配置されている。

飼育容器２２は、支持ケース２３により下方支持されている。支持ケース２３は、前方に開口部を有し、ここから計量器２１の操作が可能である。支持ケース２３の上面には、皿支柱２８および周壁部２９を通すためのケース穴３２が形成されている。飼育容器２２は周壁部２９により位置決めされ、飼育容器２２の全重量は支持ケース２３に支持されている。このため、飼育容器２２そのものの重量をはじめ、餌や水、その他の飼育紙等の重量は全て支持ケース２３が受け、計量皿２７に載ったもの以外の重さは計量器２１で計量されない。

支持ケース２３には、無線送信機２４が設置されている。質量センサ２５で検出された計量データは、計量器２１内のＣＰＵにより計量値に変換され、ＲＳ-２３２Ｃケーブルを介して無線送信機２４に出力され、後述する解析装置３側の無線受信機４５で受信される。

この構成により、本システム１では、被測定対象となる動物を飼育容器２２から取り出す必要はなく、飼育環境を継続したまま体重測定ができる。本形態の変形例として、質量センサ２５も飼育空間２０内に配置されてもよい。本形態の詳細については、本願出願人による国際出願番号ＰＣＴ／ＪＰ２０１５／６２５０８に記載されている。

次に、解析装置３は、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）などであって、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有する解析部４１、磁気ハードディスクや半導体メモリ等による記憶部４２、表示部４３、キースイッチ部４４等を有する汎用のものでよい。実験者は、キースイッチ部４４から各種操作が可能であり、表示部４３で各種操作および解析結果を確認可能である。解析装置３には、無線受信機４５が接続されている。無線受信機４５で受信した計量値の信号は、時刻と関連付けて連続的に記憶部４２に記録される。記憶部４２には、後述するフローチャート処理を行うための各種プログラムが格納されており、解析部４１はこれを実行する。

（運動量の測定方法）
次に、本システム１で行われる動物の運動量測定方法を、図３のフローチャートに基づき説明する。以後の説明で誤解が生じないように定義すると、「計量値」とは、質量センサ２５で取得された計量データが計量値に変換されたもの（生データ）であり、「体重」とは、後述する図４のフローチャートで確定される「体重値」を意味する。

まず、ステップＳ１で、運動量を算出する運動量算出間隔ｔ（以下、単に算出間隔と称する）を、キースイッチ部４４から任意に設定する。算出間隔ｔは、例えば数週間ほどの連続測定であれば１時間、数日ほどの連続測定であれば３０分、数時間ほどの連続測定であれば１０分、等が好適である。

次にステップＳ２に移行して、計量皿２７で計量された計量値Ｄ_ｎ-１（ｎはサンプリング回数を示す）を受信する。

次にステップＳ３に移行して、計量皿２７で計量された計量値Ｄ_ｎを受信する。計量値の取得は、例えば１秒に１０回程度サンプリングする。

次にステップＳ４に移行して、計量値Ｄ_ｎとその１回前の計量値Ｄ_ｎ-１の差分ΔＤの絶対値を、前回までの差分の積算値Ｓに加算する（積算値Ｓ＝∫ΔＤ）。動物が、計量皿２７に乗った、皿を押した、または皿の上で飛び跳ねた等の行動をしたとき、計量値が変化するため、計量値の変化（差分ΔＤ）を常に積算していくことで、活動の量が測れる。差分ΔＤがマイナスとなったときに活動の量が減少するのを防ぐため、絶対値（ΔＤ＝｜Ｄ_ｎ−Ｄ_ｎ-1｜）とすることが必須である。

次にステップＳ５に移行して、算出間隔ｔを経過したか判断する。

算出間隔ｔを経過していない場合は、ステップＳ６に移行し、Ｄ_ｎ-１にＤ_ｎの値を代入して、ステップＳ３に戻り、積算を繰り返す。算出間隔ｔを経過した場合は、ステップＳ７に移行し、算出間隔ｔでの動物の平均体重Ｗを求める。ステップＳ７で使用される体重の求め方は後述する。

次にステップＳ８で、ステップＳ４で得られた積算値ＳをステップＳ７で得られた平均体重Ｗで割り、この値を動物の運動量として算出し（運動量＝Ｓ／Ｗ）、算出した日時とともに保存する。

次にステップＳ９で、ステップＳ８で得た日時と運動量を表示部４３に表示し、積算値Ｓをゼロにリセットする。

次にステップＳ１０で、繰り返し測定を続けるか判断する。続ける場合はステップＳ６に移行し、運動量の算出を繰り返す。続けない場合は測定終了となる。

上記フローチャートでは、ステップＳ７で、設定した算出間隔ｔの全時間に亘って取得した体重の平均体重を算出し、ステップＳ８で積算値Ｓをこの平均体重Ｗで割ったものを運動量としている。この平均体重Ｗに代えて、（Ａ）算出間隔ｔの一部の時間に亘って取得した体重の平均値、または（Ｂ）算出間隔ｔのうちいずれか一の時点の体重、が使用されてもよい。具体的には、（Ａ）の場合、算出間隔ｔが２４時間であれば、ステップＳ７で最終時刻からその１時間前までに得られた体重の平均値Ｗｐを求め、積算値Ｓをこの体重平均Ｗｐで割った値を運動量として定義してよい。（Ｂ）の場合、ステップＳ７で、算出間隔ｔ経過時点の体重ｗを取得し、積算値Ｓはこの体重ｗで割った値を運動量として定義してよい。いずれも、ステップＳ７の演算時間を短縮することができる。

次に、図４のフローチャートに基づき、上記ステップＳ７において好ましい動物の体重の測定方法を説明する。この詳細は、本願出願人による国際出願番号ＰＣＴ／ＪＰ２０１５／６５５９８に記載されているので、ここでは要部のみ説明する。

ステップＳ７で動物の体重を算出するが、この体重は、計量皿２７に動物が乗ったと判別された時の計量値と計量皿２７から動物が降りたと判別された時の計量値との差で確定する。

まず、ステップＳ１０１で、解析装置３は、サンプリングされた計量値Ｄ_ｎが、閾値Ａの範囲内か判断する。閾値Ａの範囲内でなければ（Ｎｏ）、次の計量値を受信する。閾値Ａの範囲内であれば（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０２に移行する。

次に、ステップＳ１０２で、ステップＳ１０１の計量値Ｄ_ｎを計量平均Ｗａとし、平均化回数を１として、ステップＳ１０３に移行する。ステップＳ１０３で次の計量値Ｄ_ｎ＋１を受信すると、ステップＳ１０４に移行する。

ステップＳ１０４では、ステップＳ１０３の計量値Ｄ_ｎ＋１が、閾値Ｂ（Ｂ＜Ａ）以下か判断される。閾値Ｂ以下であれば（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０５に移行する。閾値Ｂ超であれば（Ｎｏ）、ステップＳ１０９に移行する。

ステップＳ１０５では、ステップＳ１０３の計量値Ｄ_ｎが前回の計量値Ｄ_ｎ-1と同程度（例えば前回の計量値±０．０１ｇ以内）であるか判断する。同程度であれば（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０６に移行し、ゼロ回数を＋１、すなわち一致した回数をカウントアップして、ステップＳ１０６に移行する。同程度でなければ（Ｎｏ）、ステップＳ１０７に移行し、ゼロ回数を０、すなわち一致した回数をリセットして、ステップＳ１０３へ戻る。

ステップＳ１０８では、ステップＳ１０６でカウントしたゼロ回数が、規定回数（一定時間、例えば２秒相当）以上となったか判断する。規定回数未満であれば（Ｎｏ）、ステップＳ１０３へ戻る。規定回数以上であれば（Ｙｅｓ）、ステップＳ１１１に移行する。

一方、ステップＳ１０４でステップＳ１０９に移行した場合は、再びその計量値Ｄ_ｎ＋１が閾値Ａの範囲内か判断する。閾値Ａの範囲内でなければ（Ｎｏ）、ステップＳ１０３へ戻る。閾値Ａの範囲内であれば（Ｙｅｓ）、ステップＳ１１０に移行する。

ステップＳ１１０では、計量値Ｄ_ｎ＋１と計量平均Ｗａの差が所定の安定幅Ｃ（例えばＷａの２％）以下であれば、該計量値Ｗを加えて計量平均Ｗａを更新し、平均化回数を＋１する。そして、このときの計量平均Ｗａ、平均化回数を更新し、ステップＳ１０３へ戻る。

ステップＳ１１１に移行すると、ステップＳ１０８で規定回数以上一致した計量値を、新たなゼロ点Ｚとして更新する。そして、ステップＳ１１０で得られた計量平均Ｗａと、更新したゼロ点Ｚを用いて、計量平均Ｗａとゼロ点Ｚの差を算出し、この値を体重値として確定し、時刻とともに記憶する。

すなわち、「計量皿２７に動物が乗った」の判別は、閾値Ａ（フル側の閾値）を設定し、計量値が閾値Ａ以上となる状態が一定時間（例えば１秒以上）続くとき、乗ったと判別する。閾値Ａは、実験開始直後は、実験前の体重測定から推定した値、または複数回の測定でおおよそ把握されている値などの、動物の既知体重を基準にして設定されるが、実験が開始され計量値が複数得られた後は、閾値Ａは、平均を基準にして経時で更新される。より好ましくは、閾値Ａは、体重の平均値±β％（例えば平均の±２％〜±１０％など）で上限値および下限値を設定し、下限値以上かつ上限値以下となった状態を、乗ったと判別するようにする。これにより、動物の重心揺動を許容することができる。

一方、「計量皿２７から動物が降りた」の判別は、基本的には計量値が閾値Ａ未満（または下限値Ａ２未満）となる状態が一定時間（例えば１秒以上）続くとき、降りたと判別する。上記フローチャートのように、計量皿２７に動物が乗っていないときは、ゼロ側で安定した計量値を元に、降りたと判別するための閾値Ｂ（ゼロ側の閾値）を設定してもよい。即ち、閾値Ｂ以下となる状態が一定時間続くときは降りたと判別することで、万が一、動物が体半分載っている状態や尻尾が飼育容器２２に触れている状態等により閾値Ａ未満の値で計量値が安定してしまった場合の誤測定を防ぐことができる。

このように体重を求める（確定する）ことで、動物がいつ計量皿２７に乗ったとしても、計量皿２７上で動物に動きがあっても、糞尿、給餌物など動物以外のものが計量皿２７に載っても、正確な体重を測定することができる。

次に、図５および図６は、こうして得られた運動量を可視化して出力した好適な例であり、図３のステップＳ９で出力されたものの例である。

図５は、図３および図４のフローチャートに従って、初期体重２５．０ｇのマウスを、１３日間に亘って測定した結果であり、横軸に時間［day］、左縦軸に体重［ｇ］、右縦軸に運動量［-］を示したものである。計量値は０．１秒に１回、運動量の算出間隔ｔは２４時間、として、連続測定した。本システム１により、動物の運動量が定量的に測定できることが確認できた。

図６は、図３および図４のフローチャートに従って、初期体重２５．０ｇのマウスを、１２日間に亘って測定し、半日毎に飼育部屋の明／暗を切り替えて運動量を測定した結果であり、横軸に時間［day］、左縦軸に体重［ｇ］、右縦軸に運動量［-］を示したものである。計量値は０．１秒に１回、運動量の算出間隔ｔは１２時間として測定した。無着色の棒グラフが明いとき、着色の棒グラフが暗いときのものである。マウスは夜行性であるため、暗いときのほうが運動量が大きくなっている。本システム１により、このような環境による運動量の変化を定量的に確認できた。

図７は、図５のグラフ（図７下）を比較例（図７上）と対比したものである。比較例（図７上）は、図５のグラフに使用した計量値と同一の計量値を使用しているが、計量値変化の総和を体重で割らない値（すなわち、図３のステップＳ１〜Ｓ４までを行い、ステップＳ４の積算値Ｓを運動量とし、ステップＳ７およびＳ８の「積算値Ｓを体重値で割る」を行わない値）を出力したグラフである。

比較のために、体重２０ｇの位置で補助ラインを引いた。当該実験中にマウス体重は２５ｇから３６ｇまで増えているので、比較例（図７上）では、体重の増加に伴って運動量が増加する傾向があることが確認できる。体重が重くなれば、マウスが同じ動きをしても計量値変化が大きくなるからである。一方、本システム１（図７下）では、体重が変化しても、同じ動きであれば同じ運動量として評価され、体重の増加に伴って日々の運動量が増加する傾向は見られない。

以上、本形態の測定方法によれば、新規な手法で動物の運動量を測定することができ、昼夜に限らず、光、音などの外部刺激、性別、週齢、遺伝などの要因、および薬剤や毒物の投与等による運動量への影響を定量的に測定することができる。当該運動量は、各生体の活動に伴う計量値変動およびそのときの生体の体重を利用して算出されるので、測定中に動物の体重増減が起こっても、体重の異なるマウス同士でも、運動量を比較することが可能となる。また、このように得られた運動量を可視化して出力するので、比較や分析等が容易に行える。

また、当該運動量の算出に利用される計量値は、飼育環境を継続したまま取得されたものを使用することで、実験に不必要な要素による計量値変化が運動量に影響するおそれが少なくなるため、好ましい。また、上記運動量の算出に利用される体重は動物が計量皿に乗った時と降りた時の計量値の差分で確定したものを使用することで、経時を経て動物の体重増減が起こっても、計量皿上に水や餌等の異物が載って飼育環境が変化しても、随時その影響を差し引いた値を利用した運動量が得られるため、好ましい。これらにより、長時間、長期間に亘って高精度に運動量を測定できる。

なお、本発明の動物の運動量測定方法は、実施の形態で使用した動物用体重計２以外の構成であっても、すなわち飼育容器内に計量皿が配置されない従来の形態の天秤を使用して得た計量値を使用しても、運動量を求めることができる。同様に、実施の形態で使用した動物の体重測定方法以外の方法で得られた体重であっても、すなわち従来のように動物を飼育容器から取り出して計量皿に載せて得た「実測の体重」を使用しても、運動量を求めることができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態を述べたが、各形態および各変形例を当業者の知識に基づいて組み合わせることも可能であり、そのような形態は本発明の範囲に含まれる。

１ 動物の体重測定システム
２ 動物用体重計
３ 解析装置
２１ 計量器
２２ 飼育容器
２７ 計量皿
４１ 解析部
４３ 表示部

Claims (4)

1. 被測定対象となる動物の計量値を計量器で連続的に測定し、
   所定の運動量算出間隔を設定し、
   最新の計量値とその１回前の計量値との差分を計算し、
   前記差分の絶対値を積算した積算値を算出し、
   前記運動量算出間隔毎に、前記積算値を運動量算出間隔における動物の体重の平均値または運動量算出間隔における一の時点での動物の体重で割った値を算出し動物の運動量として定義することを特徴とする動物の運動量測定方法。
2. 前記運動量が算出された時間を一方の軸にとり、前記運動量を他の軸にとり、前記運動量を可視化して出力することを特徴とする請求項２に記載の動物の運動量測定方法。
3. 前記計量値は、動物の飼育容器内に前記計量器の計量皿を配置した形態で取得されたものを使用することを特徴とする請求項２に記載の動物の運動量測定方法。
4. 前記動物の体重は、前記計量器の計量皿に動物が乗ったと判別された時の計量値と前記計量皿から動物が降りたと判別された時の計量値との差で確定されることを特徴とする請求項２に記載の動物の運動量測定方法。