(57)【要約】【課題】遺伝子研究の要求にも応えることができる程度に精密な定量的行動解析を可能とする。【解決手段】行動解析システム１は、水槽２中のゼブラフィッシュＦの画像を８枚／秒以上のフレームレートで撮像するＣＣＤカメラ３と、画像から観測データを取得する一般計測部１４Ａとを備える。そして、追尾行動評価部１４Ｂが、ゼブラフィッシュＦの観測データである位置および速度に基づいて、ゼブラフィッシュＦ同士の追尾行動を評価する。また、フラクタル次元算出部１４Ｃが、ゼブラフィッシュＦの観測データである遊泳軌跡に基づいて、遊泳軌跡のフラクタル次元を算出する。これにより、遺伝子研究の実験動物として最適であるが、遊泳速度が速いゼブラフィッシュの行動解析を、定量的かつ精密に行うことが可能となる。【選択図】　図１
2004089027.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水槽中の水棲動物を８枚／秒以上のフレームレートで撮像する撮像ステップと、
上記撮像ステップにおいて撮像した画像に基づき、水棲動物の行動解析を行う解析ステップと、を含むことを特徴とする動物の行動解析方法。
【請求項２】
上記水棲動物がゼブラフィッシュであることを特徴とする請求項１に記載の動物の行動解析方法。
【請求項３】
水槽中の水棲動物を撮像した画像に基づき、当該水棲動物の行動解析を行う動物の行動解析システムであって、
上記画像を８枚／秒以上のフレームレートで撮像する撮像手段を具備することを特徴とする動物の行動解析システム。
【請求項４】
第１の動物と第２の動物の位置および速度を取得する観測データ取得ステップと、
上記観測データ取得ステップにおいて取得した第１の動物と第２の動物の位置および速度に基づいて、第１の動物の第２の動物に対する追尾行動を評価する追尾行動評価ステップと、を含むことを特徴とする動物の行動解析方法。
【請求項５】
第１の動物と第２の動物の位置および速度を取得する観測データ取得手段と、上記観測データ取得手段によって取得された第１の動物と第２の動物の位置および速度に基づいて、第１の動物の第２の動物に対する追尾行動を評価する追尾行動評価手段と、を具備することを特徴とする動物の行動解析システム。
【請求項６】
動物の移動軌跡を取得する観測データ取得ステップと、
上記観測データ取得ステップにおいて取得した移動軌跡のフラクタル次元を算出するフラクタル次元算出ステップと、を含むことを特徴とする動物の行動解析方法。
【請求項７】
動物の移動軌跡を取得する観測データ取得手段と、
上記観測データ取得手段によって取得された移動軌跡のフラクタル次元を算出するフラクタル次元算出手段と、を具備することを特徴とする動物の行動解析システム。
【請求項８】
請求項５または７に記載の動物の行動解析システムを動作させる動物の行動解析プログラムであって、コンピュータを上記の各手段として機能させるための動物の行動解析プログラム。
【請求項９】
請求項８に記載の動物の行動解析プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動物の行動解析方法および動物の行動解析システムに関し、さらに詳しくは、動物の行動を定量的に解析する動物の行動解析方法、動物の行動解析システム、動物の行動解析プログラムならびにそれを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近の遺伝子研究の発展はめざましく、研究対象も線虫、ショウジョウバエ、酵母等の下等な生物から、マウス、魚、ヒト等の高等な動物へと変遷してきた。また、遺伝子研究は、全ゲノムの解析が終了したポストゲノムには、ゲノムのコードするタンパク質（ｐｒｏｔｅｉｎ）の機能を解析するプロテオミクスの時代に入り、さらに、表現型（ｐｈｅｎｏｔｙｐｅ）を解析するフェノミクスの時代ヘと移ることが予想される。
【０００３】
ここで、魚の研究対象としては、ゼブラフィッシュが、その発生生物学上極めて有利な特長から、遺伝子改変や遺伝子ノックアウトに最適な動物種であることがひろく認識され、近年ゲノム解析が最も進んだ動物の１つとなっている。
【０００４】
具体的には、ゼブラフィッシュは、体長５〜６ｃｍの小型の熱帯魚であり、他の魚と異なり、▲１▼一年中いつでも産卵するため、卵が通年にわたり手に入る、▲２▼幼魚期体が透明であるため、遺伝子発現をＧＦＰ（緑色蛍光タンパク）のような蛍光タンパクで外から追跡、観察することが可能である、という特長を有している。
【０００５】
そして、ゼブラフィッシュの遺伝子研究は全ゲノムの解析が間近であり、今後発生生物学をはじめとして、表現型としての魚の行動解析、すなわち遺伝子改変や遺伝子ノックアウトを施した魚の行動解析の需要は計り知れない。
【０００６】
しかし、ラットやマウス等の小動物用の行動解析装置はよく医学研究に使われ、市販もされているが、魚用のものはほとんどないのが現状である。
【０００７】
なお、発明者らは、Ｋａｔｏ，Ｓ．，Ｔａｍａｄａ，Ｋ．，Ｓｈｉｍａｄａ，Ｙ．　ａｎｄ　Ｃｈｕｊｏ，Ｔ．，　Ａ　ｑｕａｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇｏｌｄｆｉｓｈ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｂｙ　ａｎ　ｉｍａｇｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，　Ｂｅｈａｖｉｏｕｒａｌ　Ｂｒａｉｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，　８０　（１９９６）５１−５５．において、水槽中の金魚を撮影し、金魚の位置分布および進行方向を解析する金魚の行動解析のための画像処理システムを提案した。発明者らは、この画像処理システムを用いて、金魚の行動解析、特に視神経切断後の異常行動の定量的解析を行ってきた。
【０００８】
また、公開特許公報「特開平７−６３７４７号（公開日：平成７年（１９９５）３月１０日）」には、水槽内の魚群の活動状況および生存状況の識別することにより、水質の異常を検出する「水質検査装置」が記載されている。この水質検査装置は、水槽内に放された魚群の画像をＩＴＶカメラによって撮影し、画像入力部によってサンプリング処理および２値化処理を実行する。２値化に係るしきい値の設定によって、外乱やノイズの影響を排除することができる。画像処理部は、２値化された画像データから魚群を構成する個々の魚の画像を抽出し、個々の画像にラベルを付与するとともに、その単位時間当たり移動量に基づき魚群の活動状況および生存状況の識別を実行する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、ゼブラフィッシュの行動の定量的解析が必要かつ緊急を要するものであるにもかかわらず、適当な行動解析方法や行動解析システムが存在しなかった。すなわち、金魚用の行動解析システムや水質検査装置では、ゼブラフィッシュが高速で複雑な３次元の行動をするために、遺伝子研究の要求にも応えることができる程度に精密な定量的行動解析が不可能であった。
【００１０】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、遺伝子研究の要求にも応えることができる程度に精密な定量的行動解析が可能な動物の行動解析方法および動物の行動解析システムを提供することにある。また、本発明の目的には、上記動物の行動解析システムを実現する動物の行動解析プログラム、およびこれを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を提供することも含まれる。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の動物の行動解析方法は、水槽中の水棲動物を８枚／秒以上のフレームレートで撮像する撮像ステップと、上記撮像ステップにおいて撮像した画像に基づき、水棲動物の行動解析を行う解析ステップと、を含むことを特徴としている。
【００１２】
さらに、本発明の動物の行動解析方法は、上記水棲動物がゼブラフィッシュであることを特徴としている。
【００１３】
また、本発明の動物の行動解析システムは、水槽中の水棲動物を撮像した画像に基づき、当該水棲動物の行動解析を行う動物の行動解析システムであって、上記画像を８枚／秒以上のフレームレートで撮像する撮像手段を具備することを特徴としている。
【００１４】
上記の方法および構成により、行動解析の基礎となる画像を８枚／秒以上のフレームレートで撮像することにより、高速で複雑な行動をする水棲動物の行動解析が可能となる。
【００１５】
従来の技術において説明したように、ゼブラフィッシュは、その発生生物学上極めて有利な特長を有しており、表現型としての行動解析、すなわち遺伝子改変や遺伝子ノックアウトを施したゼブラフィッシュの行動を定量的に解析する技術の確立が強く求められている。
【００１６】
そこで、上記の方法および構成によれば、高速で複雑な３次元の行動をするゼブラフィッシュ等の水棲動物であっても、その行動を確実に撮像することができるため、行動解析が可能となる。それゆえ、ゼブラフィッシュの行動を、遺伝子研究の要求にも応えることができる程度に精密に定量的に行動解析することが可能となる。
【００１７】
また、本発明の動物の行動解析方法は、第１の動物と第２の動物の位置および速度を取得する観測データ取得ステップと、上記観測データ取得ステップにおいて取得した第１の動物と第２の動物の位置および速度に基づいて、第１の動物の第２の動物に対する追尾行動を評価する追尾行動評価ステップと、を含むことを特徴としている。
【００１８】
また、本発明の動物の行動解析システムは、第１の動物と第２の動物の位置および速度を取得する観測データ取得手段と、上記観測データ取得手段によって取得された第１の動物と第２の動物の位置および速度に基づいて、第１の動物の第２の動物に対する追尾行動を評価する追尾行動評価手段と、を具備することを特徴としている。
【００１９】
上記の方法および構成により、動物の追尾行動を位置および速度に基づいて定量的に評価できる。なお、第１の動物と第２の動物とは、同種であっても異種であってもよい。また、第１の動物および第２の動物は、ゼブラフィッシュ等の水棲動物であっても、ショウジョウバエやマウス等の陸棲動物であってもよい。
【００２０】
ここで、追尾行動の具体的な評価方法としては、例えば、第１の動物と第２の動物との距離の条件（個体間距離条件）、第１の動物の進行方向と第２の動物の位置との角度の条件（角度条件）、第１の動物が近づこうとし、第２の動物が離れようとしているか否かの条件（接近条件）の３条件が全て同時に成立しているとき、第１の動物が第２の動物を追尾していると判定できる。そして、追尾行動の評価指標として、
追尾時間率＝追尾していた時間／観測時間
追尾距離率＝追尾しながらの移動距離／総移動距離
などを用いることができる。
【００２１】
また、本発明の動物の行動解析方法は、動物の移動軌跡を取得する観測データ取得ステップと、上記観測データ取得ステップにおいて取得した移動軌跡のフラクタル次元を算出するフラクタル次元算出ステップと、を含むことを特徴としている。
【００２２】
また、本発明の動物の行動解析システムは、動物の移動軌跡を取得する観測データ取得手段と、上記観測データ取得手段によって取得された移動軌跡のフラクタル次元を算出するフラクタル次元算出手段と、を具備することを特徴としている。
【００２３】
上記の方法および構成により、動物の移動軌跡の複雑さを定量的に評価できる。動物は、ゼブラフィッシュ等の水棲動物であっても、ショウジョウバエやマウス等の陸棲動物であってもよい。
【００２４】
また、本発明の動物の行動解析プログラムは、コンピュータを上記の各手段として機能させるコンピュータ・プログラムである。
【００２５】
上記の構成により、コンピュータで上記動物の行動解析システムの各手段を実現することによって、上記動物の行動解析システムを実現することができる。したがって、上記した動物の行動解析システムとして、動物の行動を、遺伝子研究の要求にも応えることができる程度に精密に定量的に行動解析することが可能となる。
【００２６】
また、本発明の動物の行動解析プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、上記の各手段をコンピュータに実現させて、上記動物の行動解析システムを動作させる動物の行動解析プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。
【００２７】
上記の構成により、上記記録媒体から読み出された動物の行動解析プログラムによって、上記動物の行動解析システムをコンピュータ上に実現することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態について図１から図９に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、本実施の形態では、一例としてゼブラフィッシュの行動解析、特に視神経切断（視覚遮断）による影響を定量評価する場合について説明する。
【００２９】
図１に示すように、本実施の形態に係る行動解析システム１は、水中にゼブラフィッシュＦを含む水槽２、２台のＣＣＤカメラ３・３、２台のモニタ４・４、ビデオミキサ５、画像処理装置１０を備えて構成されている。行動解析システム１は、水槽２中のゼブラフィッシュＦを撮像した画像に基づき、ゼブラフィッシュＦの行動解析を行うものである。
【００３０】
水槽２は観測空間である。水槽２の形状は、例えば、縦２４ｃｍ、横３７ｃｍ、高さ２９ｃｍである。水槽２中には、１または複数のゼブラフィッシュＦが自由に遊泳している。水槽２は、ＣＣＤカメラ３に反射や逆光の起こらないように水槽２の斜め上方に設置された４個のレフランプ（各１５０Ｗ）（図示せず）によって照明されている。
【００３１】
ＣＣＤカメラ３・３は、水槽２の上方および側方約１．５ｍの位置に設置され、水槽２の全体を上方向と横方向との２方向から撮影できるように設定されている。また、ＣＣＤカメラ３・３は、ゼブラフィッシュＦが小型でしかも遊泳速度が７０ｍｍ／秒と速いため、シャッタースピードが１／６０秒、フレームレートが１０フレーム／秒、解像度（画素）が上方向、横方向それぞれ２５６（縦）×１２８（横）で撮影できる。撮影は、例えば３０分間連続して行う。色調はフルカラーである。また、映像信号の伝送コネクタにはコンポジットビデオ端子を使用する。
【００３２】
このように、実験動物がゼブラフィッシュである場合、ＣＣＤカメラ３のフレームレートは８フレーム／秒以上が好ましく、１０フレーム／秒がより好ましい。なお、金魚の場合には、４フレーム／秒で十分であった。
【００３３】
モニタ４は、ＣＣＤカメラ３からの画像を表示するための、コンポジットビデオ入力端子を備えたディスプレイモニタである。モニタ４により、ＣＣＤカメラ３で撮影中の画像をリアルタイムで確認できる。
【００３４】
ビデオミキサ５は、２台のＣＣＤカメラ３・３でそれぞれ撮影された２枚の画像を上下２分割の１枚の画像に合成して、画像入力ボード１１（後述）ヘ出力する。
【００３５】
画像処理装置１０は、ＣＣＤカメラ３で撮影された画像を取り込み、リアルタイムで２値化してデータ格納部１３に記録し、観測終了後に２値化画像に基づき解析を行う。そのために、画像処理装置１０は、画像入力ボード１１、２値化処理部１２、データ格納部１３、解析処理部１４を備えている。
【００３６】
画像入力ボード１１は、画像処理装置１０のインターフェイスであり、フルカラー画像入力ボードである。本実施の形態では、画像の有効範囲を５１２×５１２画素とし、フレームモードで使用する。また、画像入力ボード１１は、入力画像をコンポジットビデオ端子（スルーアウト）から外部モニタ（図示せず）ヘの出力できる。
【００３７】
２値化処理部１２は、画像入力ボード１１より取り込んだ画像を画素ごとにしきい値と比較することにより２値化した２値化画像をデータ格納部１３に記録する。
【００３８】
データ格納部１３は、ハードディスク等の記憶装置であり、２値化処理部１２で生成された２値化画像や、解析処理部１４での演算結果を格納する。
【００３９】
解析処理部１４は、データ格納部１３に格納された２値化画像に基づき、ゼブラフィッシュＦを認識するとともに、遊泳軌跡等の一般計測や、追尾行動評価と遊泳軌跡のフラクタル次元算出の特殊計測を行う。そのため、解析処理部１４は、一般計測部１４Ａ、追尾行動評価部１４Ｂ、フラクタル次元算出部１４Ｃを備えている。なお、一般計測および特殊計測の各解析結果は、データ格納部１３に格納したり、図示しないモニタやプリンタ等に出力できる。
【００４０】
一般計測部１４Ａは、２値化処理部１２で生成された２値化画像に基づき、ゼブラフィッシュＦの観測データ（位置、速度、遊泳軌跡等）を決定する。具体的には、一般計測部１４Ａは、まず、データ格納部１３から２値化画像を読み出し、背景との色の差分からゼブラフィッシュＦを認識する。次に、ゼブラフィッシュＦの領域の重心座標を求める。つづいて、この重心座標データを基に、位置座標、遊泳軌跡（２次元、３次元）、位置分布、移動速度、移動距離、体軸の傾き、左右の回転（右回転、左回転、直進等）などを求める。なお、一般計測部１４Ａは、速やかな画像の分離や見かけ上の重なりを防ぐため、ラベルング処理やオクルージョンの分離処理等の画像処理を行う。これにより、複数の魚に対応できる。
【００４１】
さらに、ゼブラフィッシュのように高速で複雑に遊泳する魚を撮影する場合には、フレームレートおよび解像度を上げるため、まず例えば１／４の解像度で２値化を行い、魚であると判定された領域の周りだけを本来の解像度で２値化してもよい。これにより、処理数を大幅に少なくでき、好ましいフレームレート、解像度が得られる。
【００４２】
追尾行動評価部１４Ｂは、一般計測部１４Ａによって決定された観測データである位置および速度をデータ格納部１３から読み出し、注目している個体による他の個体への追尾行動を評価する。
【００４３】
フラクタル次元算出部１４Ｃは、一般計測部１４Ａによって決定された観測データである遊泳軌跡をデータ格納部１３から読み出し、その遊泳軌跡のフラクタル次元を算出する
なお、追尾行動評価部１４Ｂおよびフラクタル次元算出部１４Ｃについては、後に詳細に説明する。
【００４４】
以上より、行動解析システム１は、まず、ゼブラフィッシュＦを水槽２中に自由に遊泳させ、水槽２の上方向および側方向の２方向からＣＣＤカメラ３・３で所定時間連続して撮影した画像を画像処理装置１０に取り込み、２値化してデータ格納部１３に格納する。所定時間の観測後、解析処理部１４において、２値化画像からゼブラフィッシュＦを認識し、一般計測および特殊計測の各種の解析を行う。
【００４５】
つづいて、特殊計測である追尾行動評価および遊泳軌跡のフラクタル次元算出について詳細に説明する。
【００４６】
（１）追尾行動評価
図２から図６を参照しながら、追尾行動評価部１４Ｂによる追尾行動評価について説明する。
【００４７】
ゼブラフィッシュ等の魚は、２尾以上が群れをなし、あたかも前の魚を後の魚が追いかけるように泳ぐ習性がある。追尾行動評価部１４Ｂは、３つの条件、（ｉ）個体間距離条件、（ｉｉ）角度条件、（ｉｉｉ）接近条件、をそれぞれ判定し、全てが同時に成立しているときに追尾行動が成立していると判定する。そして、追尾行動評価部１４Ｂは、追尾行動を時間、距離でそれぞれ追尾率として評価する。
【００４８】
（ｉ）個体間距離条件
２匹の間隔Ｌが離れすぎているときは、追尾とみなさない。さらに、水槽２の上から見て近すぎる場合は、重なっている、つまり、深さの異なる位置を泳いでいると判断できるので、追尾は行われていないと判定する。本実施の形態では、個体間距離条件として、経験的に、
１ｃｍ＜Ｌ＜１０ｃｍ
と設定した。しかし、図２のように、並列に泳ぐときもあるので次の条件を判定する。
【００４９】
（ｉｉ）角度条件
追尾状態においては、追いかけている魚の前方には必ず追いかけられている魚がいるはずである。したがって、図３（ａ）のように、追いかけている魚の進行方向からある角度θ以内に追いかけられている魚がいることを条件とする。本実施の形態では、角度条件として、経験的に、
θ＝５０°
と設定した。しかし、図３（ｂ）のように、お互い向き合って泳ぐときもあるので次の条件を判定する。
【００５０】
（ｉｉｉ）接近条件
追尾状態においては、追いかける魚は近づこうとし、追いかけられる魚は離れようとする。したがって、図４（ａ）のように、Ｌ，Ｌ１，Ｌ２を定めたとき、接近条件は、
Ｌ＞Ｌ１　かつ　Ｌ＜Ｌ２
となる。なお、図４（ｂ）は、追尾と判定されないとき（Ｌ＞Ｌ１かつＬ＞Ｌ２）の例である。
【００５１】
そして、追尾行動評価部１４Ｂは、上記３条件の全てが同時に成立しているとき、追尾行動の評価指標として、
追尾時間率＝追尾していた時間／観測時間
追尾距離率＝追尾しながらの移動距離／総移動距離
を算出する。
【００５２】
よって、追尾行動評価部１４Ｂで算出した追尾時間率や追尾距離率により、視覚機能回復を、金魚やゼブラフィッシュの行動解析から客観的に評価することが可能である。
【００５３】
図５に、ゼブラフィッシュの追尾行動を追尾時間率を用いて解析した結果を示す。左側が正常なゼブラフィッシュの追尾率（対照実験）、右側が両側視神経切断１日目のゼブラフィッシュの追尾率である。正常なものは約３０％、切断されたものは約８％となり、盲目になると追尾が著しく困難になることがわかる。
【００５４】
また、魚の視神経は哺乳類と異なり切断しても再生する。そこで、本当に魚が視覚機能を回復したかを評価することはきわめて重要である。
【００５５】
図６に、ゼブラフィッシュの視覚機能回復を追尾時間率および追尾距離率を用いて観察した結果を示す。図６に示すように、視神経を片側ないし両側切断した時の魚の行動観察の結果、視神経の再生は速い回復と遅い回復の２相があることがわかる。
【００５６】
すなわち、▲１▼１側を切断した時、魚の上下軸が正常視神経側に傾き、また正常視神経側によく回転する。この傾きや回転の回復は、金魚では約１ヵ月、ゼブラフィッシュでは約２週間で完了した。この回復は、一般計測部１４Ａにより、傾きと回転方向を解析することによって確認できた。
【００５７】
また、▲２▼視神経を両側切断すると、追尾行動が大きく乱れる。この追尾行動の回復は、金魚では４〜５ヵ月、ゼブラフィッシュでは２〜３ヵ月で完了した。この回復は、追尾行動評価部１４Ｂにより、追尾行動を解析することによって確認できた。
【００５８】
このように、行動解析システム１によれば、視覚機能回復を、魚の行動解析から客観的に評価することができることを発明者は確認した。
【００５９】
なお、図６の１日および１週の追尾時間率および追尾距離率の値（約８％）は、水槽２にゼブラフィッシュＦを１尾だけ入れて撮影した異なる２つの画像を重ね合わせた画像から算出した追尾時間率および追尾距離率に等しいことが確認されている。よって、この約８％は、２尾のゼブラフィッシュが追尾の判定条件を満たす位置関係に偶然なったものとして無視できる。
【００６０】
（２）遊泳軌跡のフラクタル次元
図７から図９を参照しながら、フラクタル次元算出部１４Ｃによる魚の遊泳軌跡の複雑さの評価を説明する。なお、本実施の形態において、フラクタル次元とは、曲線の複雑さを表すパラメータである。
【００６１】
図７に示すように、曲線を長さεのものさしを使って近似したときに必要としたものさしの数をＮ（ε）とすると、フラクタル次元Ｄは次の関係式、
Ｎ（ε）＝ｋ・ε１−Ｄ
で定義される。この式の両辺の対数をとると、
ｌｏｇＮ（ε）＝−Ｄ・ｌｏｇε＋ｋ′
となる。ただし、ｋ，ｋ′は定数である。
【００６２】
ここで、上記の数式は、曲線にフラクタル性がある場合、Ｎ（ε）とεを対数グラフにプロットしたときに、ある範囲で直線状に並ぶことを意味している。よって、図８に示すように、最小２乗法を用いてグラフ上の点の回帰直線を求め、その傾きを調べることでフラクタル次元Ｄを求めることができる。
【００６３】
図９に、ゼブラフィッシュの遊泳軌跡をフラクタル次元を用いて解析した結果を示す。左側が正常なゼブラフィッシュのフラクタル次元（対照実験）、右側が両側視神経切断１日目のゼブラフィッシュのフラクタル次元である。フラクタル次元の値が大きいほど遊泳軌跡が複雑であるので、結果より盲目になると遊泳軌跡が単純になることがわかる。
【００６４】
以上のように、行動解析システム１は、水槽２中のゼブラフィッシュＦの画像を８枚／秒以上のフレームレートで撮像するＣＣＤカメラ３と、画像から観測データを取得する一般計測部１４Ａとを備える。そして、追尾行動評価部１４Ｂが、ゼブラフィッシュＦの観測データである位置および速度に基づいて、ゼブラフィッシュＦ同士の追尾行動を評価する。また、フラクタル次元算出部１４Ｃが、ゼブラフィッシュＦの観測データである遊泳軌跡に基づいて、遊泳軌跡のフラクタル次元を算出する。
【００６５】
これにより、遺伝子研究の実験動物として最適であるが、高速で複雑に遊泳するゼブラフィッシュの行動解析を、定量的かつ精密に行うことが可能となる。そして、ゼブラフィッシュの複雑な行動をリアルタイムで取得し、定量的に解析できる。また、ふ化直後から成魚に到るまでゼブラフィッシュの行動を簡単に計測できる。
【００６６】
なお、本実施の形態は本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の範囲内で種々の変更が可能であり、例えば、以下のように構成することができる。
【００６７】
追尾行動評価のためには、動物の位置および速度が観測データとして利用できればよく、また、フラクタル次元の算出のためには、移動軌跡が観測データとして利用できればよい。よって、これらの観測データを、画像から生成するのではなく、例えば動物に装着した発信機を用いた位置検出等によって取得してもよい。
【００６８】
また、水槽２に給餌装置を設け、この給餌装置と、ＣＣＤカメラ３、ビデオミキサ５、画像処理装置１０（画像入力ボード１１、２値化処理部１２、データ格納部１３）をタイマで制御することにより、図６に示したような長期間の観察を自動的に行うことができる。
【００６９】
上記行動解析システム１によれば、魚等の行動解析の定量化を実現できる。よって、行動解析システム１は、動物の行動解析の定量化を利用する分野において様々に利用できる。例えば、上述したように、視神経切断（視覚遮断）後の異常行動の定量的解析が可能である。すなわち、神経損傷・再生等の評価に利用できる。また、遺伝子改変や突然変異体の表現型異常のスクリーニングに利用できる。また、遺伝子改変魚やノックアウト魚と野性魚との比較により、遺伝子と表現型（行動）との相関を分析できる。さらに、薬効（特に神経作用薬等）の影響や持続時間の評価に利用できる。
【００７０】
また、行動解析システム１は、外的要因（水質、環境ホルモン）のスクリーニングに利用できる。よって、魚の遊泳環境（溶存酸素、環境変異原、水温、毒物等）をモニターリングすることが可能となる。
【００７１】
また、行動解析システム１は、天然魚と人工飼育魚との比較や、魚の群れ行動の分析に利用できるため、漁獲法や養殖法など漁業の技術に応用できる。
【００７２】
さらに、行動解析システム１は、ゼブラフィッシュ等の水棲動物はもとより、ショウジョウバエやマウス等の陸棲動物の３次元的行動観察にも応用可能である。また、水槽の壁面に色や模様をつけて魚の行動の変化を観察するなど、動物の行動心理学等への応用も可能である。
【００７３】
最後に、上記画像処理装置１０は、ワークステーションやパーソナルコンピュータ等の汎用のコンピュータをベースに構成できる。すなわち、上記画像処理装置１０は、その機能を実現するプログラムの命令を実行するＣＰＵ（ｃｅｎｔｒａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｕｎｉｔ　）、ブートロジックを格納したＲＯＭ（ｒｅａｄ　ｏｎｌｙ　ｍｅｍｏｒｙ）、上記プログラムを展開するＲＡＭ（ｒａｎｄｏｍ　ａｃｃｅｓｓ　ｍｅｍｏｒｙ）、上記プログラムおよび各種データベースを格納するハードディスク等の記憶装置（記録媒体）、キーボードやマウス等の入力機器、モニタ、スピーカー、プリンタ等の出力機器が内部バスによって接続されて構成されている。
【００７４】
また、本発明の目的は、上述した機能を実現するソフトウエアである動物の行動解析プログラムのプログラムコード（実行形式プログラム、中間コードプログラム、ソースプログラム）をコンピュータで読み取り可能に記録した記録媒体を、システムあるいは装置に供給し、そのシステムあるいは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ、ＤＳＰ）が記録媒体に記録されているプログラムコードを読み出し実行することによっても、達成可能である。この場合、記録媒体から読み出されたプログラムコード自体が上述した機能を実現することになり、そのプログラムコードを記録した記録媒体は本発明を構成することになる。
【００７５】
具体的には、上記画像処理装置が備える２値化処理部１２、解析処理部１４は、画像処理装置１０のメモリ（図示せず）に格納された所定のプログラムを、マイクロプロセッサなどが実行することにより実現される。
【００７６】
上記プログラムコードを供給するための記録媒体は、システムあるいは装置と分離可能に構成することができる。また、上記記録媒体は、プログラムコードを供給可能であるように固定的に担持する媒体であってもよい。そして、上記記録媒体は、記録したプログラムコードをコンピュータが直接読み取ることができるようにシステムあるいは装置に装着されるものであっても、外部記憶装置としてシステムあるいは装置に接続されたプログラム読み取り装置を介して読み取ることができるように装着されるものであってもよい。
【００７７】
例えば、上記記録媒体としては、磁気テープやカセットテープ等のテープ系、フロッピー（登録商標）ディスク／ハードディスク等の磁気ディスクやＣＤ−ＲＯＭ／ＭＯ／ＭＤ／ＤＶＤ／ＣＤ−Ｒ等の光ディスクを含むディスク系、ＩＣカード（メモリカードを含む）／光カード等のカード系、あるいはマスクＲＯＭ／ＥＰＲＯＭ／ＥＥＰＲＯＭ／フラッシュＲＯＭ等の半導体メモリ系などを用いることができる。
【００７８】
また、上記プログラムコードは、コンピュータが記録媒体から読み出して直接実行できるように記録されていてもよいし、記録媒体から主記憶のプログラム記憶領域へ転送された後コンピュータが主記憶から読み出して実行できるように記録されていてもよい。
【００７９】
さらに、システムあるいは装置を通信ネットワークと接続可能に構成し、上記プログラムコードを通信ネットワークを介して供給してもよい。そして、通信ネットワークとしては、特に限定されず、具体的には、インターネット、イントラネット、エキストラネット、ＬＡＮ、ＩＳＤＮ、ＶＡＮ、ＣＡＴＶ通信網、仮想専用網（ｖｉｒｔｕａｌ　ｐｒｉｖａｔｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ）、電話回線網、移動体通信網、衛星通信網等が適用可能である。また、通信ネットワークを構成する伝送媒体としては、特に限定されず、具体的には、ＩＥＥＥ１３９４、ＵＳＢ、電力線搬送、ケーブルＴＶ回線、電話線、ＡＤＳＬ回線等の有線でも、ＩｒＤＡやリモコンのような赤外線、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、８０２．１１無線、ＨＤＲ、携帯電話網、衛星回線、地上波デジタル網等の無線でも適用可能である。
【００８０】
なお、プログラムコードを記録媒体から読み出して主記憶に格納するためのプログラム、および、通信ネットワークからプログラムコードをダウンロードするためのプログラムは、コンピュータによって実行可能にあらかじめシステムあるいは装置に格納されているものとする。
【００８１】
上述した機能は、コンピュータが読み出した上記プログラムコードを実行することによって実現されるだけでなく、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼働しているＯＳなどが実際の処理の一部または全部を行うことによっても実現される。
【００８２】
さらに、上述した機能は、上記記録媒体から読み出された上記プログラムコードが、コンピュータに装着された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書込まれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵなどが実際の処理の一部または全部を行うことによっても実現される。
【００８３】
【発明の効果】
以上のように、本発明の動物の行動解析方法は、水槽中の水棲動物を８枚／秒以上のフレームレートで撮像する撮像ステップと、上記撮像ステップにおいて撮像した画像に基づき、水棲動物の行動解析を行う解析ステップと、を含む方法である。
【００８４】
さらに、本発明の動物の行動解析方法は、上記水棲動物がゼブラフィッシュである。
【００８５】
また、本発明の動物の行動解析システムは、水槽中の水棲動物を撮像した画像に基づき、当該水棲動物の行動解析を行う動物の行動解析システムであって、上記画像を８枚／秒以上のフレームレートで撮像する撮像手段を具備する構成である。
【００８６】
それゆえ、高速で複雑な３次元の行動をするゼブラフィッシュ等の水棲動物であっても、その行動を確実に撮像することができるため、行動解析が可能となるという効果を奏する。したがって、ゼブラフィッシュの行動を、遺伝子研究の要求にも応えることができる程度に精密に定量的に行動解析することが可能となるという効果を奏する。
【００８７】
また、本発明の動物の行動解析方法は、第１の動物と第２の動物の位置および速度を取得する観測データ取得ステップと、上記観測データ取得ステップにおいて取得した第１の動物と第２の動物の位置および速度に基づいて、第１の動物の第２の動物に対する追尾行動を評価する追尾行動評価ステップと、を含む方法である。
【００８８】
また、本発明の動物の行動解析システムは、第１の動物と第２の動物の位置および速度を取得する観測データ取得手段と、上記観測データ取得手段によって取得された第１の動物と第２の動物の位置および速度に基づいて、第１の動物の第２の動物に対する追尾行動を評価する追尾行動評価手段と、を具備する構成である。
【００８９】
それゆえ、動物の追尾行動を位置および速度に基づいて定量的に評価できるという効果を奏する。
【００９０】
また、本発明の動物の行動解析方法は、動物の移動軌跡を取得する観測データ取得ステップと、上記観測データ取得ステップにおいて取得した移動軌跡のフラクタル次元を算出するフラクタル次元算出ステップと、を含む方法である。
【００９１】
また、本発明の動物の行動解析システムは、動物の移動軌跡を取得する観測データ取得手段と、上記観測データ取得手段によって取得された移動軌跡のフラクタル次元を算出するフラクタル次元算出手段と、を具備する構成である。
【００９２】
それゆえ、動物の移動軌跡の複雑さを定量的に評価できるという効果を奏する。
【００９３】
また、本発明の動物の行動解析プログラムは、コンピュータを上記の各手段として機能させるコンピュータ・プログラムである。
【００９４】
それゆえ、上記動物の行動解析システムを実現して、動物の行動を、遺伝子研究の要求にも応えることができる程度に精密に定量的に行動解析することが可能となるという効果を奏する。
【００９５】
また、本発明の動物の行動解析プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、上記の各手段をコンピュータに実現させて、上記動物の行動解析システムを動作させる動物の行動解析プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。
【００９６】
それゆえ、上記記録媒体から読み出された動物の行動解析プログラムによって、上記動物の行動解析システムをコンピュータ上に実現することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る行動解析システムの構成の概略を示す説明図である。
【図２】図１に示した行動解析システムの追尾行動評価部で判定する個体間距離条件を説明する図である。
【図３】図１に示した行動解析システムの追尾行動評価部で判定する角度条件を説明する図であり、（ａ）は角度条件を満たす場合、（ｂ）は角度条件を満たすが接近条件を満たさない場合をそれぞれ示す。
【図４】図１に示した行動解析システムの追尾行動評価部で判定する接近条件を説明する図であり、（ａ）は接近条件を満たす場合、（ｂ）は接近条件を満たさない場合をそれぞれ示す。
【図５】図１に示した行動解析システムの追尾行動評価部で算出した追尾時間率を用いて、視神経切断による影響を定量評価するために、ゼブラフィッシュの追尾行動を解析した例を示すグラフである。
【図６】図１に示した行動解析システムの追尾行動評価部で算出した追尾時間率および追尾距離率を用いて、ゼブラフィッシュの視覚機能回復を観察した結果を示すグラフである。
【図７】図１に示した行動解析システムのフラクタル次元算出部における魚の遊泳軌跡のフラクタル次元の算出方法を説明する図である。
【図８】図１に示した行動解析システムのフラクタル次元算出部における魚の遊泳軌跡のフラクタル次元の算出方法を説明する図である。
【図９】図１に示した行動解析システムのフラクタル次元算出部で算出したフラクタル次元を用いて、視神経切断による影響を定量評価するために、ゼブラフィッシュの遊泳軌跡を解析した例を示すグラフである。
【符号の説明】
１　　行動解析システム
２　　水槽
３　　ＣＣＤカメラ（撮像手段）
１２　　２値化処理部（観測データ取得手段）
１４Ａ　一般計測部（観測データ取得手段）
１４Ｂ　追尾行動評価部（追尾行動評価手段）
１４Ｃ　フラクタル次元算出部（フラクタル次元算出手段）
Ｆ　　ゼブラフィッシュ（水棲動物）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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