JP5935221B2 - 動物学習支援装置、及び動物学習支援機能付き飼育ケージ - Google Patents
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Description
そこで、本発明者は、極めて短時間で学習が可能で、かつ、操作が容易な動物実験装置を開発した(特許文献2参照)。
このため、被検動物は拘束されず自由に動くことのできる状態で、各種各様なパターンのタスクを用いて被検動物を学習させたいという要求が存在する。
所定の刺激に対して被検動物に正解の操作をさせるタスクを用いた、前記被検動物の学習を支援する動物学習支援装置であって、
前記所定の刺激を前記被検動物に与える刺激供与部と、
報酬を移送する報酬移送部と、
前記刺激供与部により前記所定の刺激が与えられた前記被検動物により操作がなされる操作部と、当該操作が正解であった場合に前記報酬移送部から移送される前記報酬を前記被検動物に供給する報酬供給口とを有し、当該報酬供給口が当該操作部の一部として形成された操作供給部と、
空間中の直交する2つの仮想平面において夫々回転自在となるように、前記操作供給部を支持する支持部と、
前記操作供給部の位置を検出する検出部と、
前記刺激供与部に対して前記所定の刺激を与える指示をし、当該指示後の前記検出部の検出結果に基づいて前記被検動物の操作が正解か否かを判断し、正解の場合には前記報酬移送部に対して報酬を与える指示をすることで、タスクの実行を制御する制御部と、
を備える。
このように、操作供給部は、空間中の直交する2つの仮想平面において夫々回転自在となるように支持されている。これにより、被検動物は、拘束されずに自由に動ける状態で、所望の方向に所望の角度だけ操作供給部を傾動させる操作を容易に行うことができる。これに伴い、各種各様なパターンのタスクを生成することも容易に可能になる。
このようにして、被検動物は拘束されず自由に動くことのできる状態で各種各様なパターンのタスクを用いて被検動物を学習させることが可能になる。
前記制御部は、さらに、前記所定の刺激のパターンと、正解の条件のパターンとを組み合わせて、タスクを生成することができる。
これにより、他の装置を使用せずに、動物学習支援装置のみで、所望のタスクの生成と、当該タスクを用いた学習との両方ができるため、ユーザ(実験者等)にとって便宜である。
これにより、ユーザ(実験者等)は、所定の範囲として各種各様のパターンを設定することで、各種各様な正解の条件のパターンを生成することができ、その結果、各種各様のパターンのタスクを生成することができる。
前記所定の範囲は、当該第1仮想平面に形成される所定の円に基づく座標系に基づく複数のパラメータで表され、
前記複数のパラメータの各値を指示する指示部をさらに備え、
前記制御部は、前記指示部により指示された前記複数のパラメータの各値に基づいて前記所定の範囲を設定し、前記正解の条件のパターンを生成することができる。
これにより、ユーザは、パラメータを入力するといった簡単で手間のかからない操作をするだけで、各種各様な正解の条件のパターンを容易に生成することができ、その結果、各種各様のパターンのタスクを容易に生成することができる。
被検動物が収納されて飼育される収納部と、
所定の刺激に対して前記被検動物に正解の操作をさせるタスクを用いた、前記被検動物の学習を支援する動物学習支援装置と、
を備える動物学習支援機能付き飼育ケージであって、
前記動物学習支援装置は、
前記所定の刺激を前記被検動物に与える刺激供与部と、
前記報酬を移送する報酬移送部と、
前記刺激供与部により前記所定の刺激が与えられた前記被検動物により操作がなされる操作部と、当該操作が正解であった場合に前記報酬移送部から移送される前記報酬を前記被検動物に供給する報酬供給口とを有し、当該報酬供給口が当該操作部の一部として形成された操作供給部と、
空間中の直交する2つの仮想平面において夫々回転自在となるように、前記操作供給部を支持する支持部と、
前記操作供給部の先端の位置を検出する検出部と、
前記刺激供与部に対して前記所定の刺激を与える指示をし、当該指示後の前記検出部の検出結果に基づいて前記被検動物の操作が正解か否かを判断し、正解の場合には報酬を与える指示をすることで、タスクの実行を制御する制御部と、
を備え、
少なくとも前記操作供給部が前記収納部に配置されている。
このように、操作供給部は、空間中の直交する2つの仮想平面において夫々回転自在となるように支持されている。これにより、被検動物は、拘束されずに自由に動ける状態で、所望の方向に所望の角度だけ操作供給部を傾動させる操作を容易に行うことができる。これに伴い、各種各様なパターンのタスクを生成することも容易に可能になる。
このようにして、被検動物は拘束されず自由に動くことのできる状態で各種各様なパターンのタスクを用いて被検動物を学習させることが可能になる。
さらに、タスクの実行場所と飼育場所とは同一の収納部内になり、かつ、上述したように、被検動物は拘束されずに自由に動き回れる環境でタスクを行うことができるので、従来のような特別な環境や人に被検動物を慣らすことは不要になる。よって、従来よりも早期かつ効率的に学習することが可能になる。
動物学習支援装置は、図1に示すように、動物学習部11と、ポンプ12と、中継部13と、制御部14とを備えている。
ここで、一般的なタスクにおいては、所定の刺激Cueに対する被検動物の操作は、1回のみでなく、複数回の刺激Cueが与えられる毎にその都度行われる。そこで、所定のタスクにおいて、所定の刺激Cueが1回与えられてから被検動物による操作が行われるまでのことを、以下、「トライアル」と呼ぶ。即ち、一般的なタスクは、N回(Nは1以上の任意の整数値)のトライアルにより構成される。
動物学習部11は、被検動物が、予め設定された正しい動作(以下、「正解」と呼ぶ)をした場合には報酬Rを与え、正解しなかった場合には報酬Rを被検動物に与えることを禁止することを、トライアル毎に繰り返す。
なお、動物学習部11のさらなる詳細については、図2乃至図5を参照して後述する。
報酬Rの種類は、被検動物の種類や実験の目的に応じて適宜変更することができる。具体的には、液体状の報酬Rとしては、例えば、水、糖類を含有する水、人工甘味料を含有する水、アルコールや経口薬剤を含有する水等を採用することができる。また、気体状の報酬としては、例えば、タバコの煙やシンナー等、常習性の物質を含有する空気等を採用することができる。なお、本実施形態では、報酬Rとして水が採用されている。
また本実施形態では、上述したように、1回のトライアル毎に、正解の場合にのみ報酬Rが被検動物に与えられる。このトライアルの正解の可否の判断は後述の制御部14によってなされ、正解を示す制御信号(以下、「正解信号」と呼ぶ)が、制御部14から中継部13を介して伝送される。
ポンプ12は、正解信号が伝送されてきた場合には、動物学習部11に報酬Rを移送するための動力を与え、それ以外の場合、その動力を与えることを禁止する。
ポンプ12の種類は、被検動物の種類や実験の目的に応じて適宜変更することができるが、本実施形態では、ラットやマウスが被検動物として想定されているので、μl(マイクロリットル)単位で報酬Rの水を移送することが可能なマイクロポンプを適用すると好適である。
制御部14のさらなる詳細については、図9以降の図面を参照して後述する。
図2に示すように、動物学習部11は、ケージ取り付け部21と、動物操作部22と、動物頭部挿入部23とを含むように構成されている。なお、図2は外観構成の概略のため、幾つかの構成要素、例えば、刺激Cue又は正解音を与える構成要素(後述の図4のスピーカ36)等については、図示が省略されている。
動物操作部22は、タスクの実行の際に各トライアル毎に、各種刺激Cueを被検動物に与える部位と、各種刺激Cueに対する所定の動作(操作)を被検動物に行わせるための操作部とを有している。動物操作部22の詳細については、図3及び図4を参照して後述する。
動物頭部挿入部23は、被検動物が動物操作部22を操作する際にその習性により頭部や前肢を挿入させるチューブにより構成される。動物頭部挿入部23のサイズは、被検動物の種類や実験の目的に応じて適宜変更することができるが、被検動物(本実施形態ではラットやマウス)の頭部や前肢が容易に挿入可能なサイズとすると好適である。
図6を参照して後述するように、ケージ取り付け部21が飼育ケージに取り付けられると、垂直方向がy方向になり、飼育ケージの中央部から隅部に向かう水平方向がz方向になり、z方向と直角な水平方向がx方向になる。
動物頭部挿入部23のチューブはz方向に延伸し、当該チューブの他方の開放端には動物操作部22が取り付けられる。
これにより、被検動物は、その習性により、動物頭部挿入部23のチューブ内にその頭部や前肢を挿入させ、動物操作部22(後述の図3の操作供給部31)に対して正面から(z方向を向いて)アプローチした状態で、動作(操作)をすることができる。この場合、被検動物にとっては、後述する音や光等の組み合わせからなる所定パターンの刺激Cueは常に所定の方向から与えられ、その所定パターンの刺激Cueに対する動物操作部22の操作も常に所定方向からすることになるので、効果的な学習が可能になる。
図3は、動物操作部22の主要部の正面図である。
図4は、動物操作部22の主要部の側面図である。
ここで、操作供給部31の棒状の両端のうち、被検動物により操作される側の端を、「先端」と呼び、反対側の端を「末端」と呼ぶ。
操作供給部31の末端は、xy平面及び、当該xy平面に直交する平面の夫々において操作供給部31が回転自在となるように支持部33により支持される。なお、「当該xy平面に直交する平面」とは、操作供給部31の末端のxy平面における回転角度の方向(回転すれば変化する方向)と、z方向とに平行な平面になる。
これにより、被検動物は、操作供給部31の先端を、xy平面の任意の方向に自在に傾倒操作することが可能になる。
操作レバー311の空洞の直径は、被検動物の種類又は実験の目的に応じて適宜設計することが可能であるが、本実施形態では、ラットやマウスが被検動物と想定されているので、1〜2mm程度が好適である。
操作レバー311の長さも、被検動物の種類又は実験の目的に応じて適宜設計することが可能である。ここで、操作レバー311(操作供給部31)の先端は、被検動物によりxy平面の任意の方向に自在に傾倒操作される。操作レバー311が(デフォルト状態から)90度傾倒された場合の先端の位置が、図3に示すLED32の内部の円周上の1点となる。即ち、本実施形態では、操作レバー311の長さは、図3に示すLED32の内部の円の半径とほぼ同じとなっている。
ここで、操作供給部31の先端(操作レバー311の開口部のうち、後述の報酬供給口312が設けられている方の端)をxy平面に射影した位置を、以下、「レバー位置」と呼ぶものとすると、図3に示すLED32の内部の円(xy平面上に形成される円)の円周上及びその内部が、レバー位置の取り得る範囲(以下、「可動範囲」と呼ぶ)となる。レバー位置やその可動範囲については、制御部14の説明として後述する。
なお、本実施形態では、報酬Rとしては水が採用されている。このため、被検動物が操作レバー311を認識しやすく、かつ操作しやすく、かつ報酬Rの水を飲みやすいように、被検動物の大きさにあわせた球状の飲口が、報酬供給口312に設けられている。
12個のLED32は、後述の制御部14の指示に基づいて、相互に独立に点灯又は消灯する。
このような所定のパターンの光の刺激Cueが与えられた被検動物は、操作供給部31の操作レバー311に対して何らかの操作を試みる。
その試みが正しい操作と認められた場合、即ち正解の場合には、操作供給部31の報酬供給口312から報酬Rの水が即座に与えられるため、被検動物は、正解した(正しい動作をした)ことを学習することができる。
これに対して、その試みが正解と認められなかった場合には、操作供給部31の報酬供給口312から報酬Rの水が与えられないため、被検動物は、正解していない(正しくない動作をした)ことを学習することができる。
シリコンチューブ34は、上述のように、操作供給部31の支持部33側の端と、ポンプ12(図1)とを接続し、ポンプ12からの報酬Rを、操作供給部31の操作レバー311の空洞内に供給する。これにより、報酬Rは、操作供給部31の報酬供給口312から被検動物に対して供給される。
信号送受信部35は、中継部13(それを介する制御部14)との間で授受される信号を送受信する。例えば、信号送受信部35は、上述の支持部33に設けられるセンサからの信号を中継部13に送信する。例えば、信号送受信部35は、LED32に対する点灯又は消灯させる指示の制御信号を中継部13から受信して、LED32を点灯又は消灯させる。また例えば、信号送受信部35は、所定の音声信号を中継部13から受信して、当該音声信号に対応する音声をスピーカ36から出力させる。
スピーカ36は、刺激Cueとして所定の音のパターンが採用されている場合には、当該所定の音のパターンに従った音声を出力する。また、スピーカ36は、必要に応じて、トライアルの成功を示す音声を出力する。
筺体37は、必要に応じて設けられ、動物操作部22全体を覆うことで、汚れ等を防止することができる。
動物学習支援機能付き飼育ケージは、収納部51と、蓋52と、収納部51内に取り付けられる動物学習部11を含む動物学習支援装置(図1)とを備えている。
収納部51は、本実施形態では汎用の飼育ケージを流用したものであり、透明のプラスチック製の、上部が解放された直方体状のケースである。
換言すると、本実施形態の動物学習支援装置の動物学習部11は、汎用の飼育ケージである収納部51に丁度収まるように構成されている。即ち、図6に示すように、垂直方向がy方向になり、飼育ケージの中央部から隅部に向かう水平方向がz方向になり、z方向と直角な水平方向がx方向になるように、動物学習部11のケージ取り付け部21が収納部51の隅部に取り付けられる。
収納部51のサイズは、被検動物の種類や実験の目的に応じて適宜変更することができるが、本実施形態ではラットやマウスが被検動物と想定されているので、当該ラットやマウスがタスクを実行していない時には通常の飼育が可能なサイズ、即ち適度な運動が可能であり飲食場所等の設置が可能なサイズであると好適である。
図8は、蓋52を、収納部51の上部の開放部に取り付けている様子を示す、動物学習支援機能付き飼育ケージの外観構成を示す斜視図である。
蓋52のサイズは、被検動物の種類や実験の目的に応じて適宜変更することができるが、図8に示すように、動物学習部11が取り付けられた状態の収納部51の上部の開放部に対して丁度取り付けられるサイズである必要がある。
即ち、従来では、タスクの実行にあたり、通常の飼育場所から離れた特別な環境に被検動物を移動させる必要があった。特に、上述の特許文献2の技術を適用した場合には、その特別な環境ではさらに被検動物を拘束することが前提とされる。このため、被検動物にとっては、特別な環境が当初多大なストレスになる。また、飼育をしている人(飼育場所にいる人)と、タスクを行う人(その特別な環境にいる人)とが異なると、被検動物にとっては、タスクを行う人が当初多大なストレスになる。従って、従来では、特別な環境や人に被検動物を慣らした上(ハンドリングした上)で、タスクによる学習を開始する必要があった。被検動物を特別な環境や人に慣らすためには、多大な時間と労力が必要であり、非効率的であった。
これに対して、本実施形態の動物学習支援機能付き飼育ケージを適用すると、タスクの実行場所と飼育場所とは同一であり、かつ、被検動物は拘束されずに自由に動き回れる環境でタスクを行うことができるので、従来のような特別な環境や人に被検動物を慣らすことは不要になる。よって、従来よりも早期かつ効率的に学習することが可能になる。
図9は、本発明が適用される動物学習支援装置の制御部のハードウェア構成を示すブロック図である。
RAM113には、CPU111が各種の処理を実行する上において必要なデータ等も適宜記憶される。
入力部117は、キーボードやマウス等で構成され、オペレータの指示操作に応じて各種情報を入力する。
記憶部118は、ハードディスクやDRAM(Dynamic Random Access Memory)等で構成され、各種データを記憶する。
通信部119は、インターネット等を介して他の装置との間で行う通信を制御すると共に、本実施形態では図1の中継部13を介する動物学習部11又はポンプ12との間で行う通信を制御する。
そこで、先ず、タスクの各種パターンの生成手法について説明する。
上述したように、12個のLED32の内周の円(xy平面上の円)の円周上及びその内部が、操作供給部31の先端をxy平面に射影した「レバー位置」の可動範囲である。
パラメータHは、被検動物による操作供給部31の傾動角度を示しているが、本実施形態では操作供給部31の先端のxy平面上の射影がレバー位置とされているので、原点からの距離として表される。パラメータHの単位としては、12個のLED32の内周の円(xy平面上の円)の半径に対する割合[%]が採用されている。
パラメータθは、被検動物による操作供給部31の傾動方向を示しているが、本実施形態では操作供給部31の先端のxy平面上の射影がレバー位置とされているので、y軸(第1象限と第2象限との間の軸)に対してなす角度により表される。
ここで、デフォルト状態のレバー位置は、理想的には原点となるが、機械的誤差等を考慮すると、原点を中心とする半径Sの円状の範囲Saとする。このような範囲Saを、以下、「スタートエリアSa」と呼ぶ。
ここで、スタートエリアSaの半径Sは、任意の設計値であるが、例えば12個のLED32の内周の円(xy平面上の円)の半径の5%程度が好適である。
即ち、レバー位置が、半径S=5%程度のスタートエリアSa内に存在することを条件として、何れのタスクの何れのトライアルも開始される。
ターゲットエリアTaは、パラメータ(h,θt、θw)により設定される。
パラメータhは、被検動物による操作供給部31の傾動角度について、正解と判断できる最低角度を示すパラメータであり、レバー位置のパラメータHとあわせるため、原点からの距離として表される。パラメータhの単位としては、12個のLED32の内周の円(xy平面上の円)の半径に対する割合[%]が採用されている。
パラメータθtは、被検動物による操作供給部31の傾動方向について、正解と判断できる範囲の中心角度を示しており、レバー位置のパラメータθとあわせるため、y軸(第1象限と第2象限との間の軸)に対してなす角度により表される。
パラメータθwは、被検動物による操作供給部31の傾動方向について、正解と判断できる範囲の中心角度θtからの許容角度を示しており、レバー位置のパラメータθとあわせるため、y軸(第1象限と第2象限との間の軸)に対してなす角度により表される。
制御部14は、所定のタスク毎に、各種刺激Cueの所定のパターンと、正解を示すパラメータ(h,θt、θw)との組を1以上記憶部118(図9)等に記憶させる。
なお、各種刺激Cueの所定のパターンと、正解を示すパラメータ(h,θt、θw)との組は、トライアル毎に1つずつ対応付けられている場合もあるし、特に対応付けがなされておらずトライアル実行時にランダムに選択される場合もあるし、タスクに対して1つのみ設定される場合もある。
次に、タスクのパターンの幾つかの具体例について、図10乃至図13を参照して説明する。
LED32を示す円状のシンボルのうち、当該シンボルに12本の線分が放射状に付されているもの(図10では全て)は、当該LED32が点灯していることを意味している。なお、このことは、後述する図11乃至図13でも同様である。
図10に示すタスクは、光の刺激Cueが与えられた際に被検動物が操作供給部31をともかく動かせば、正解として報酬Rが与えられることを学習するためのものである。即ち光の刺激Cueが与えられたら操作供給部31を動かすというルールが、図10に示すタスクにより学習可能になる。
刺激Cueのパターンとしては、全方位から光が与えられるパターン、即ち、12個全てのLED32が点灯するパターンが設定されている。
タスクの正解は、上述したように、被検動物が操作供給部31を動かすことであるので、正解を示すパラメータ(h,θt、θw)=(10%程度、不問、360度)となるように設定されている。
即ち、制御部14のCPU111(図9)は、レバー位置を常時監視し、当該レバー位置がスタートエリアSa内にあると判断すると、初回のトライアルを開始させ、通信部119(図9)及び中継部13(図1)を介して、12個全てのLED32を点灯させる制御を実行する。
被検動物は、この12個全てのLED32の光を刺激Cueとして与えられると、操作供給部31の操作レバー311を動かす。
このとき、操作レバー311が少し傾動されて、制御部14のCPU111が、H>=hを検出すると、正解であると判断して、上述の正解信号を通信部119(図9)及び中継部13(図1)を介して伝送する。すると、ポンプ12は、動物学習部11に報酬Rを移送するための動力を与える。報酬Rは、ポンプ12から当該シリコンチューブ及び操作レバー311の空洞内を介して、報酬供給口312から被検動物に対して供給される。
これにより、被検動物にとっては、操作供給部31を動かすと、その操作供給部31の先端に設けられた報酬供給口312から、報酬Rの水が即座に与えられることになるので、正解か否かを即座に理解することができる。
このようなトライアルが繰り返されることによって、被検動物は、光の刺激Cueが与えられたら操作供給部31を動かすというルールを、従来と比較して早期にかつ効率的に学習することができる。
図11に示すタスクは、光の刺激Cueが与えられた方向に被検動物が操作供給部31を傾動させれば、正解として報酬Rが与えられることを学習するためのものである。即ち光の刺激Cueが与えられた方向に操作供給部31を傾動させるというルールが、図11に示すタスクにより学習可能になる。
刺激Cueのパターンとしては、図11(A)に示す右側から光の刺激Cueが与えられるパターン(A)、即ち、右側の3個のLED32が点灯するパターン(A)が設定されると共に、図11(B)に示す左側から光の刺激Cueが与えられるパターン、即ち、左側の3個のLED32が点灯するパターンが設定されている。
タスクの正解は、上述したように、光の刺激Cueが与えられた方向に被検動物が操作供給部31を傾動させることであるので、刺激Cueのパターン(A)に対しては、正解を示すパラメータ(h,θt、θw)=(10%程度、90度、90度)となるように設定されている。一方、刺激Cueのパターン(A)に対しては、正解を示すパラメータ(h,θt、θw)=(10%程度、270度、90度)となるように設定されている。
ここでいう「所定の刺激Cueのパターンを変化させる」とは、ユーザ(実験者等)により予め設定された順番に変化させることの他、制御部14側で自動的に決定した順番(ランダムな順番含む)で変化させることも含む。
即ち、図11に示すタスクについては、例えば、ユーザ(実験者等)は、トライアル毎にパターン(A),(B)の繰り返しということを予め設定することもできるし、トライアル毎にパターン(A),(B)の何れかがランダムに選択されるという設定をすることもできる。
即ち、制御部14のCPU111(図9)は、レバー位置を常時監視し、当該レバー位置がスタートエリアSa内にあると判断すると、初回のトライアルを開始させ、パターン(A),(B)のうちの何れかをランダムに選択する。例えば、パターン(A)が選択されたものとする。この場合、制御部14のCPU111は、通信部119(図9)及び中継部13(図1)を介して、右側3個のLED32を点灯させる制御を実行する。
被検動物は、この右側3個のLED32の光が刺激Cueとして与えられると、即ち右方向から光の刺激Cueが与えられると、操作供給部31の操作レバー311を動かす。
このとき、操作レバー311が右側の方向に傾動されて、制御部14のCPU111が、H>=h及び(θt−θw/2)<=θ<=(θt+θw/2)を検出すると、正解であると判断して、上述の正解信号を通信部119(図9)及び中継部13(図1)を介して伝送する。すると、ポンプ12は、動物学習部11に報酬Rを移送するための動力を与える。報酬Rは、ポンプ12から当該シリコンチューブ及び操作レバー311の空洞内を介して、報酬供給口312から被検動物に対して供給される。
これにより、被検動物にとっては、光の刺激Cueを受けた方向に操作供給部31を傾動させると、その操作供給部31の先端に設けられた報酬供給口312から、報酬Rが即座に与えられることになるので、正解か否かを即座に理解することができる。
このようなトライアルが繰り返されることによって、被検動物は、光の刺激Cueが与えられた方向に操作供給部31を傾動させるというルールを、従来と比較して早期にかつ効率的に学習することができる。
これにより、ユーザ(実験者等)は、より効果的に学習できるタスクを容易に生成することができる。
具体的には例えば、図11のタスクについて、初期のトライアルの頃には、パラメータhを短くすることで、被検動物による操作レバー311の傾動角度が小さくても正解とするような設定、即ち、被検動物が操作レバー311を少しでも動かせば正解とするような設定が容易に実現可能になる。そして、トライアルを重ねる毎にパラメータhを徐々に長くするような設定(例えば、h=10%→70%という設定)をすることも容易に実現可能になる。これにより、被検動物は、正解するためには、トライアルを重ねる毎に、操作レバー311の傾動角度を徐々に大きくしていかなければならず、操作レバー311をしっかり傾動させる操作(正解するためには本来そのような操作が必要であること)を、従来と比較して早期にかつ効果的に学習することができる。
図12に示すタスクは、被検動物が操作供給部31を持ち上げれば、正解として報酬Rが与えられることを学習するためのものである。即ち、操作供給部31を持ち上げるというルールが、図12に示すタスクにより学習可能になる。
この場合、刺激Cueのパターンとしては、任意のものを採用し得るが、学習の効果を高めるため、上側の5個のLED32が点灯するパターンが設定されている。
タスクの正解は、上述したように、被検動物が操作供給部31を持ち上げる(上側に傾動させる)ことであるので、正解を示すパラメータ(h,θt、θw)=(10%→70%、0度、150度)となるように設定されている。
即ち、制御部14のCPU111(図9)は、レバー位置を常時監視し、当該レバー位置がスタートエリアSa内にあると判断すると、初回のトライアルを開始させ、通信部119(図9)及び中継部13(図1)を介して、上側5個のLED32を点灯させる制御を実行する。
被検動物は、この上側5個のLED32の光が刺激Cueとして与えられると、操作供給部31の操作レバー311を動かす。
このとき、操作レバー311が持ち上げられて(上側の方向に傾動されて)、制御部14のCPU111が、H>=h及び(θt−θw/2)<=θ<=(θt+θw/2)を検出すると、正解であると判断して、上述の正解信号を通信部119(図9)及び中継部13(図1)を介して伝送する。すると、ポンプ12は、動物学習部11に報酬Rを移送するための動力を与える。報酬Rは、ポンプ12から当該シリコンチューブ及び操作レバー311の空洞内を介して、報酬供給口312から被検動物に対して供給される。
これにより、被検動物にとっては、操作供給部31を持ち上げると(上側に傾動させると)、その操作供給部31の先端に設けられた報酬供給口312から、報酬Rが即座に与えられることになるので、正解か否かを即座に理解することができる。
このようなトライアルが繰り返されることによって、被検動物は、操作供給部31を持ち上げる(上側に傾動させる)というルールを、従来と比較して早期にかつ効率的に学習することができる。
図13に示すタスクは、光の刺激Cueが与えられた方向に被検動物が操作供給部31を傾動させれば、正解として報酬Rが与えられることを学習するためのものである。即ち光の刺激Cueが与えられた方向に操作供給部31を傾動させるというルールが、図13に示すタスクにより学習可能になる。
なお、図11に示すタスクとの違いは、図11に示すタスクでは左右弁別であったのに対して、図13に示すタスクでは全方向であり、正解となる範囲も厳しい(狭い)ものとなっている。即ち、被検動物にとっては、図11に示すタスクを学習した後に、図13に示すタスクを学習すると、従来と比較して早期にかつ効率的に学習することができる。
刺激Cueのパターンとしては、12方向からの光の刺激Cueの夫々が与えられるパターン(1)乃至(12)、即ち、12個のLED32の夫々が1つずつ点灯するパターン(1)乃至(12)の夫々が設定されている。
タスクの正解は、上述したように、光の刺激Cueが与えられた方向に被検動物が操作供給部31を傾動させることであるので、刺激Cueのパターン(1)乃至(12)の夫々に対しては、正解を示すパラメータ(h,θt、θw)=(10%→70%、各パターンのLED32の点灯方向の角度、30度程度)となるように設定されている。
また、図13に示すタスクについては、例えば、ユーザ(実験者等)は、トライアル毎にパターン(1)乃至(12)について所望の順番で選択されるということを予め設定することもできるし、トライアル毎にパターン(1)乃至(12)の何れかがランダムに選択されるという設定をすることもできる。
即ち、制御部14のCPU111(図9)は、レバー位置を常時監視し、当該レバー位置がスタートエリアSa内にあると判断すると、初回のトライアルを開始させ、パターン(1)乃至(12)のうちの何れかをランダムに選択する。例えば、図13に例示されているパターン(2)が選択されたものとする。この場合、制御部14のCPU111は、通信部119(図9)及び中継部13(図1)を介して、最上位から時計回りに2個目(時計の1時の位置)のLED32を点灯させる制御を実行する。
被検動物は、このLED32の光が刺激Cueとして与えられると、即ち時計の1時の方向から光の刺激Cueが与えられると、操作供給部31の操作レバー311を動かす。
このとき、操作レバー311が1時の方向に傾動されて、制御部14のCPU111が、H>=h及び(θt−θw/2)<=θ<=(θt+θw/2)を検出すると、正解であると判断して、上述の正解信号を通信部119(図9)及び中継部13(図1)を介して伝送する。すると、ポンプ12は、動物学習部11に報酬Rを移送するための動力を与える。液体状又は気体状の報酬Rは、ポンプ12から当該シリコンチューブ及び操作レバー311の空洞内を介して、報酬供給口312から被検動物に対して供給される。
これにより、被検動物にとっては、光の刺激Cueを受けた方向に操作供給部31を傾動させると、その操作供給部31の先端に設けられた報酬供給口312から、報酬Rが即座に与えられることになるので、正解か否かを即座に理解することができる。
このようなトライアルが繰り返されることによって、被検動物は、光の刺激Cueが与えられた方向に操作供給部31を傾動させるというルールを、従来と比較して早期にかつ効率的に学習することができる。
次に、タスク実行時の制御部14の表示画面の一例について、図14を参照して説明する。
タスク実行時には、制御部14の出力部116(図9)のディスプレイには、図14に示すような表示画面201が表示される。
表示画面201には、左上部において測定結果表示領域211が、左下部において測定値表示領域212が、右上部において設定内容表示領域213が、右下部においてログ内容表示領域214が、夫々設けられている。
例えば、報酬Rの種類や供給量が異なる複数の操作供給部31を設置してもよい。これにより、被検動物の報酬Rの種類に応じた行動(嗜好性)や運動の調節の仕組みを観察する研究に応用することができる。
例えば、操作レバー311の異なる複数個所に報酬供給口312を設けることもできる。この場合、夫々異なる量の報酬Rが供給されるようにしておけば、被検動物は、ある報酬供給口312を舐めるのと別の報酬供給口312を舐めるのとでは報酬Rの両が異なることを学習すると、操作レバー311の位置を自らが調整する行動をとるようになる。このような被検動物の運動の調節の仕組みを観察する研究に応用することができる。
即ち、
所定の刺激に対して被検動物に正解の操作をさせるタスクを用いた、前記被検動物の学習を支援する動物学習支援装置であって、
前記所定の刺激を前記被検動物に与える刺激供与部と、
報酬を移送する報酬移送部と、
前記刺激供与部により前記所定の刺激が与えられた前記被検動物により操作がなされる操作部と、当該操作が正解であった場合に前記報酬移送部から移送される前記報酬を前記被検動物に供給する報酬供給口とを有し、当該報酬供給口が当該操作部の一部として形成された操作供給部と、
空間中の直交する第1仮想平面及び第2仮想平面の夫々において回転自在となるように、前記操作供給部を支持する支持部と、
前記操作供給部の先端の位置を検出する検出部と、
前記刺激供与部に対して前記所定の刺激を与える指示をし、当該指示後の前記検出部の検出結果に基づいて前記被検動物の操作が正解か否かを判断し、正解の場合には前記報酬移送部に対して前記報酬を与える指示をすることで、タスクの実行を制御する制御部と、
を備える動物学習支援装置であれば足りる。
このように、操作供給部は、空間中の直交する2つの仮想平面において夫々回転自在となるように支持されている。これにより、被検動物は、拘束されずに自由に動ける状態で、所望の方向に所望の角度だけ操作供給部を傾動させる操作を容易に行うことができる。これに伴い、各種各様なパターンのタスクを生成することも容易に可能になる。
このようにして、被検動物は拘束されず自由に動くことのできる状態で各種各様なパターンのタスクを用いて被検動物を学習させることが可能になる。
これにより、他の装置を使用せずに、動物学習支援装置のみで、所望のタスクの生成と、当該タスクを用いた学習との両方ができるため、ユーザ(実験者等)にとって便宜である。
これにより、ユーザ(実験者等)は、所定の範囲として各種各様のパターンを設定することで、各種各様な正解の条件のパターンを生成することができ、その結果、各種各様のパターンのタスクを生成することができる。
前記複数のパラメータの各値を指示する指示部をさらに備え、
前記制御部は、前記指示部により指示された前記複数のパラメータの各値に基づいて前記所定の範囲を設定し、前記正解の条件のパターンを生成することができるようにしてもよい。
これにより、ユーザは、パラメータを入力するといった簡単で手間のかからない操作をするだけで、各種各様な正解の条件のパターンを容易に生成することができ、その結果、各種各様のパターンのタスクを容易に生成することができる。
この場合、操作供給部は、空間中の直交する2つの仮想平面において夫々回転自在となるように支持されている。これにより、被検動物は、拘束されずに自由に動ける状態で、所望の方向に所望の角度だけ操作供給部を傾動させる操作を容易に行うことができる。これに伴い、各種各様なパターンのタスクを生成することも容易に可能になる。
このようにして、被検動物は拘束されず自由に動くことのできる状態で各種各様なパターンのタスクを用いて被検動物を学習させることが可能になる。
さらに、タスクの実行場所と飼育場所とは同一の収納部内になり、かつ、上述したように、被検動物は拘束されずに自由に動き回れる環境でタスクを行うことができるので、従来のような特別な環境や人に被検動物を慣らすことは不要になる。よって、従来よりも早期かつ効率的に学習することが可能になる。
例えば、制御部14は、上述の各機能を有する電子機器一般、例えばサーバ、ノート型のパーソナルコンピュータ、プリンタ、テレビジョン受像機、ビデオカメラ、携帯型ナビゲーション装置、スマートフォン、携帯電話機、ポータブルゲーム機等により構成してもよい。
コンピュータは、専用のハードウェアに組み込まれているコンピュータであってもよい。また、コンピュータは、各種のプログラムをインストールすることで、各種の機能を実行することが可能なコンピュータ、例えば上述の制御部14として構成された汎用のコンピュータであってもよい。
リムーバブルメディアは、例えば、磁気ディスク(フロッピディスクを含む)、光ディスク、又は光磁気ディスク等により構成される。光ディスクは、例えば、CD−ROM(Compact Disk−Read Only Memory),DVD(Digital Versatile Disk)等により構成される。光磁気ディスクは、MD(Mini−Disk)等により構成される。また、装置本体に予め組み込まれた状態でユーザに提供される記録媒体は、例えば、プログラムが記録されている図9のROM112や、図9の記憶部118のハードディスク等で構成される。
また、本明細書において、システムの用語は、複数の装置や複数の手段等より構成される全体的な装置を意味するものとする。
12・・・ポンプ
13・・・中継部
14・・・制御部
21・・・ケージ取り付け部
22・・・動物操作部
23・・・動物頭部挿入部
31・・・操作供給部
32・・・LED
51・・・収納部
52・・・蓋
111・・・CPU
201・・・表示画面
311・・・操作レバー
312・・・報酬供給口
Claims (5)
- 所定の刺激に対して被検動物に正解の操作をさせるタスクを用いた、前記被検動物の学習を支援する動物学習支援装置であって、
前記所定の刺激を前記被検動物に与える刺激供与部と、
報酬を移送する報酬移送部と、
前記刺激供与部により前記所定の刺激が与えられた前記被検動物により操作がなされる操作部と、当該操作が正解であった場合に前記報酬移送部から移送される前記報酬を前記被検動物に供給する報酬供給口とを有し、当該報酬供給口が当該操作部の一部として形成された操作供給部と、
空間中の直交する第1仮想平面及び第2仮想平面の夫々において回転自在となるように、前記操作供給部を支持する支持部と、
前記操作供給部の先端の位置を検出する検出部と、
前記刺激供与部に対して前記所定の刺激を与える指示をし、当該指示後の前記検出部の検出結果に基づいて前記被検動物の操作が正解か否かを判断し、正解の場合には前記報酬を与える指示をすることで、タスクの実行を制御する制御部と、
を備える動物学習支援装置。 - 前記制御部は、さらに、前記所定の刺激のパターンと、正解の条件のパターンとを組み合わせて、タスクを生成する、
請求項1に記載の動物学習支援装置。 - 前記制御部は、さらに、前記正解の条件のパターンとして、前記操作部の先端の前記第1仮想平面に対する射影の位置が、当該第1仮想平面に形成される所定の円内の所定の範囲内に進入したこと、という条件を設定する、
請求項1又は2に記載の動物学習支援装置。 - 前記所定の範囲は、当該第1仮想平面に形成される所定の円に基づく座標系に基づく複数のパラメータで表され、
前記複数のパラメータの各値を指示する指示部をさらに備え、
前記制御部は、前記指示部により指示された前記複数のパラメータの各値に基づいて前記所定の範囲を設定し、前記正解の条件のパターンを生成する、
請求項3に記載の動物学習支援装置。 - 被検動物が収納されて飼育される収納部と、
所定の刺激に対して前記被検動物に正解の操作をさせるタスクを用いた、前記被検動物の学習を支援する動物学習支援装置と、
を備える動物学習支援機能付き飼育ケージであって、
前記動物学習支援装置は、
前記所定の刺激を前記被検動物に与える刺激供与部と、
報酬を移送する報酬移送部と、
前記刺激供与部により前記所定の刺激が与えられた前記被検動物により操作がなされる操作部と、当該操作が正解であった場合に前記報酬移送部から移送される前記報酬を前記被検動物に供給する報酬供給口とを有し、当該報酬供給口が当該操作部の一部として形成された操作供給部と、
空間中の直交する2つの仮想平面において夫々回転自在となるように、前記操作供給部を支持する支持部と、
前記操作供給部の先端の位置を検出する検出部と、
前記刺激供与部に対して前記所定の刺激を与える指示をし、当該指示後の前記検出部の検出結果に基づいて前記被検動物の操作が正解か否かを判断し、正解の場合には前記報酬移送部に対して前記報酬を与える指示をすることで、タスクの実行を制御する制御部と、
を備え、
少なくとも前記操作供給部が前記収納部に配置されている、
動物学習支援機能付き飼育ケージ。
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