海生研研報，第29号，65－69，2023
Rep. Mar. Ecol. Res. Inst., No. 29, 65-69, 2023

解説

魚類における脳波解析を用いた睡眠測定方法
正裕＊§林

Measurement Methods for Fish Sleep using the Electroencephalogram Analysis
Masahiro Hayashi*§
要約：哺乳類において科学的に睡眠を研究する場合は，脳波を主体とする電気生理学的指標に基づく「脳波睡眠」によって睡眠が測定されている。行動観察から魚も眠ると考えられるが，脳波を基に魚類の睡眠を判定した報告は見当たらない。魚類の睡眠を解明するためには，脳波に基づく魚類の睡眠測定法が必要不可欠である。本稿では，海洋生物環境研究所が開発した魚類，特に海産魚類の脳波睡眠を安定的に測定する技術について解説する。
キーワード：魚類，睡眠，脳波，ナンヨウブダイ，マダイ

いては，行動観察から得られた行動的指標に基づまえがき

く「行動睡眠」が定義され（Meddis, 1975），行動魚類の脳は，他の脊椎動物と同様に各種感覚の観察から魚類も眠ると考えられている。ゼブラ処理や統合に関与し，学習や本能の中枢を担ってフィッシュ Danio rerio 仔魚を用いた分子遺伝学的いる。脳には，多数の神経細胞（ニューロン）が研究や高度なイメージング技術を用いた神経生理存在し，神経細胞ネットワークを形成している。

学的研究により，魚には人間と類似した睡眠パニューロンは，外部刺激により活動電位を発生さターンがあり，レム睡眠とノンレム睡眠と共通すせ，他のニューロンに電気信号で情報を伝達する性質を有することが分かってきた（Leung etal ., 2019）。しかしながら，既往の研究手法は，多様な魚種や生態，或いは天然の生息環境でも使用できるような汎用性のある手法ではない。
魚類の脳波測定については若干の報告（Enger,
1957; Karmanova et al ., 1981; Mori et al ., 1981; 小栗ら, 1991）はあるが，いずれも魚類の睡眠の解明には至っていない。魚類における睡眠機構を解明するためには，「脳波睡眠」の存否を確認する必要がある。
本稿では，海洋生物環境研究所が開発した魚類，特に海産魚類の脳波睡眠を安定的に測定する技術について解説する。

る。この活動電位生成と電気信号伝達により脳波が発生する。従って，脳波は，脳の活動を反映する生体信号であり，脳波測定は脳の機能や状態を理解するための有用な手法の一つとなる。例えば，人間では，神経疾患，意識障害などの診断に脳波測定を利用している。
脳波と密接に結び付いている生理現象の一つが睡眠である。睡眠は，一般的には周期的に繰り返す生理的な意識喪失の状態と定義されるが，哺乳類において科学的に睡眠を研究する場合は脳波を主体とする電気生理学的指標に基づく「脳波睡眠」によって睡眠が測定されている。魚類の睡眠につ（2022年11月7日受付，2022年11月30日受理）＊ 公益財団法人海洋生物環境研究所 事務局（〒162-0801 東京都新宿区山吹町347番地 藤和江戸川橋ビル7階）§ E-mail: hayashi@kaiseiken.or.jp― 65 ―

林：魚類における脳波解析を用いた睡眠測定方法

測定者が習熟した技術と知識を有しない場合には魚類の脳波測定生体信号を正常に測定できない可能性がある。ま従来，水中で魚類の生体信号（動物が発する電た，我々が実施した事前検討試験において，セン気的な信号；脳波，筋電位，心電位，角膜網膜電サーと測定装置を接続する信号線が供試魚に接触位，視覚誘発電位等）を測定するためには，測定すること等によって，測定される生体信号にノイ装置本体に有線接続したセンサーやカテーテル等ズが発生するという現象があり，特に海水中ではを，生体内に取付けておく必要があった（Enger,顕著な問題であった。

1957; Karmanova et al ., 1981; Mori et al ., 1981; 小

そこで，このような問題を解消するため，水生栗ら, 1991など）。このため，供試魚の自由な動動物の脳波を適切に測定できる水生動物用無線生きをある程度抑制する必要があり，拘束等の処置

体信号測定装置および測定システム（以下，「無によって供試魚に大きなストレスがかかるため，線式測定システム」と省略）を開発した（実用新案登録第3183625号）。この無線式測定システムは，水生動物の体に生体信号取得用の電極を装着し，その電極から得られた生体信号を無線通信によって送受信してパソコン内に記録するという技術である（第1図）。この技術によって，泳いでいる魚からも脳波を安定的に取得することが可能になった。なお，無線式測定システムについての仕様の詳細および魚類への装置取付方法については，林ら（2014）を参照されたい。
開発した無線式測定システムを用いて日中と夜

第1図

無線式測定システムの概略図
供試魚に装着した電極から得られた生体信号は，送信機から送信され受信用アンテナ（ナンヨウブダイの脳波測定で使用したアンテナの直径は約20cm）を介して受信機に取り込まれる。受信用アンテナは，脳波を受信するために供試魚の側面に沿って試験水槽の横（ナンヨウブダイの脳波測定ではアンテナと水槽の距離は約3cm）に配置されている。

第2図

間の行動が明瞭に異なるナンヨウブダイ（Chlorurus microrhinos ；本種は，夜間，サンゴや岩陰に隠れ鰓から出す透明な粘液で体の周りを寝袋状に覆い，その場からほとんど動かなくなる）の脳波を連続的に記録した（第2図）。得られた脳波記録から，暗期には脳の振幅に明らかな違いが認められ，魚類でも脳波から睡眠判定ができる可連続記録されたナンヨウブダイの脳波の一例を示す波形図
ナンヨウブダイを，水槽内で自由遊泳させた状態で脳波の測定を行った。左側が暗期（19時～7時）の例，右側が明期（7時～19時）の例を示す。縦の点線の間隔は1秒間を示す。

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能性が示唆された。一方，コイCyprinus carpio を用いた研究では，活動時と休止時の脳波に変化が認められたものの，睡眠脳波は特定できず，睡眠脳波の出現がない可能性が示唆された（小栗ら,1991）。しかし，このコイの研究において，脳波の測定はコイに電極を有線接続した状態で実施されており，コイの動きが抑制された可能性がある。
無線式測定システムは，比較的遊泳しない底生魚類や拘束が困難なタコ類などの生体信号測定にも有効と考えられる。また，リアルタイムで生体信号を観察でき，データをパソコン内に直接記録するため，大量のデータ（長期間のデータ）を収集できるといった利点がある。一方，無線通信の通信距離が律速要因となるため，試験水槽の大きさや測定環境などが制限される。従って，遊泳能力の高い魚種や天然の環境での使用には不向きである。
汎用性のある脳波睡眠測定システム
魚類の「脳波睡眠」の存在を明らかにするためには，多様な魚種の脳波を収集し解析する必要がある。また，睡眠は動物の行動に深く関わっていることから，魚類の行動に出来る限り制限を加え第3図

魚類用脳波測定データロガーの全体像
本 体（外 形 寸 法：W41mm×D24mm×H15mm，重量：14.3g，消費電流：約35mA）と電源ボッ
ク ス（外 形 寸 法：W62mm×D25mm×H15mm，電池を入れた重量：28.5g）からなり，脳波デー
タは本体に装着したmicro SDカードに保存される。

第4図

防水ケースの全体像
右図は，データロガーを防水ケースに内蔵した様子（左のケースに本体が，右のケースに電源ボックスが内蔵されている）。防水ケースに入れたデータロガー全体の重量は124.3gだが，防水ケース内に空隙があるため海水では浮く。

ずに脳波を測定することが望まれる。
そこで，無線式測定システムを改良し，自由遊泳する魚類においても容易に脳波データを収集でき，魚類全般に使用可能な汎用性のある魚類用脳波測定データロガーを作製した（第3図）。
このデータロガーは，本体と電源ボックスからなり，本体内には無線式測定システムの電気信号受付部，フィルタ部およびアンプ部の電気回路を一つに統合して小型化した回路が内蔵されている。また，本体からは魚の頭部に装着した電極を繋ぐケーブルと電源ボックスを繋ぐケーブルが出ている。本体には，電源スイッチが付いておりこのスイッチを入れることで測定が開始され，測定が開始されるとLEDランプが点滅し外部からロガーの可動状態を確認できる仕組みになっている。脳波データは本体に装着したmicro SDカードにバイナリファイルとして保存される。データロガーは防水ケース（第4図）に入れて魚体に装着し，単4電池2本で約2週間脳波を記録できる。作製したデータロガーを装着したマダイPagrus major を容量500Lの円形水槽に収容し自由遊泳させて（第5図），脳波を測定した。明暗周期は，明期7時～― 67 ―

林：魚類における脳波解析を用いた睡眠測定方法

る。
→（解決策）本体と電源ボックスを統合した上で，データロガーの小型化と完全防水化を行う。
・記録できる期間が約2週間とまだ短い。
→（解決策）現行で使用している電池よりも長寿命で高性能の電源を探索し採用する。
・データファイルサイズを小さくするためバイナリファイルを使用しているが，現行では脳波データとして出力できない。
→（解決策）バイナリファイルを脳波データ第5図に変換するソフトを開発する。

魚類用脳波測定データロガーを装着したマダイ（体重：1876ｇ，尾叉長：42.3cm）の様子

・入出力チャネルが1チャネルであるため，1つの生体信号（現行では脳波のみ）しか測定できない。

19時，暗期19時～7時とした。また，脳波はサン→（解決策）電気回路とプログラムを改良し，プリングレート100Hzで記録した。測定の結果，複数チャネルで測定できるようにする。

脳波データを約１週間収集することに成功した（第6図）。

今後，作製したデータロガーをプロトタイプとして，明らかになった課題の解決を進めていく。

魚類用脳波測定データロガーは，自由遊泳する魚類での測定が可能であるため，装着できる供試

魚類の睡眠判定までのプロセス魚の種類が格段に増え，大型水槽や海や河川などの環境下でも使用できるようになった。一方，作無線式測定システムおよび魚類用脳波測定デー製したデータロガーには，以下の課題が残っていタロガーにより，魚類の脳波を測定できるようにる。

なったが，脳波を測定しただけでは睡眠を判定す・本体と電源ボックスが分かれており，さらにることはできない。哺乳類では，脳波を周波数帯防水ケースを使用するため装置自体が大き域ごとにδ波（デルタ波：1〜3Hz），θ波（シーく，供試魚の体サイズにより使用が制限されタ波：4〜7Hz），α波（アルファ波：8〜13Hz），

第6図 魚類用脳波測定データロガーにより収集したマダイの脳波データの例（明期）
グラフは加工前のバイナリファイルの生データを可視化した。縦軸は出力値，横軸はタイムスケールを示す。なお，変換ソフトが未開発のため，出力値から振幅への変換およびタイムスケールから時刻への変換は実施できていない。

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林：魚類における脳波解析を用いた睡眠測定方法

β 波（ベ ー タ 波：14〜30Hz） に 大 別 し た 上 で，の開発に伴い発生する海中音が及ぼす生物への影

脳波，筋電位および行動量から総合的に睡眠判定

響が懸念されているが，現状では適切な影響評価を行う。覚醒時の脳波は，主にα波やβ波といっ手法を模索している状況である。魚類における脳た高周波の成分で構成され，睡眠状態になるとδ波や睡眠の測定が，これらの新たな開発事業の環波やθ波といった低周波の成分が多くなる。魚類

境アセスメントにおいて，評価手法の一つになりでは，このような哺乳類で見られる脳波パターン得る可能性がある。と必ずしも一致しない可能性がある。また，小栗ら（1991）は，魚類の場合，高等脊椎動物とは独謝辞立した睡眠判定基準の必要性を示唆している。
従って，今後の研究では，昼夜の行動が明らか

本研究の一部は，JSPS科研費 15K14794の助成に違う魚種をターゲットにした脳波データを出来を受けた。本稿を査読し重要なご指摘を頂いた古る限り多数収集し，行動と脳波データとの相関を谷研氏に謝意を表す。

見出す必要がある。また，我々が実施した先行研究において，マダイの行動が哺乳類で既知の睡眠引用文献誘発物質（ジアゼパム）で鎮静化し，覚醒促進物質（カフェイン）で活発化することを確認しておEnger, P.S. (1957). The electroencephalogram of theり，これらの物質を投与したマダイの脳波を測定

codfish (Gadus Callarias ); spontaneous electricalすることによって，魚類の脳の活動状態と脳波帯

activity and reaction to photic and acousticstimulation. Acta Physiol . Scand ., 39, 55-72.

域との相関を明らかにすることを計画している。
最終的に，これらの実験で得られた情報を基に，

林正 裕・ 髙 田 陽 子・ 三 上隆・ 裏 出 良 博(2014). 無線生体信号測定装置－ナンヨウブ
ダイの脳波測定の試み－. 海生研研報, No.18,

魚類独自の睡眠判定基準を構築することができ，魚類の睡眠判定が確立すると考えている。

71-74.
Karmanova, H., Belich, A.I. and Lazarev, S.G.

おわりに(1981) An electrophysiological study of
魚類の睡眠測定技術が開発されれば，生態学おwakefulness and sleeplike states in fish andよび生理学の発展に資することはもとより，様々

amphibians. In“Brain mechanisms of behaviour

な調査研究や産業に貢献できる技術になると考え

in lower vertebrates. (ed. Laming, P.R.),られる。

Cambridge University Press, Cambridge, 181202.

例えば，科学的根拠に基づいた魚類の概日リズ
ムの把握が可能となる。魚類養殖において，概日

Leung, L.C., Wang, G.X., Madelaine, R., Skariah,

リズムに基づく栄養学的な観点からの給餌時間をG., Kawakami, K., Deisseroth, K., Urban, A.E.

見出すことができれば，飼料栄養成分の効率的なand Mourrain, P. (2019). Neural signatures ofsleep in zebrafish. Nature , 571, 198-204.

消化吸収を促し，飼料効率の優れた養殖魚の生産
染リスクを低減させた持続可能な養殖業の確立に

Meddis, R. (1975). On the function of sleep. Anim .
Behav ., 23, 676-691.

貢献できる。

Mori, S., Mitarai, G., Takagi, S., and Usui, S.

が可能となるだけでなく，余剰飼料による海洋汚また，魚類の睡眠と成長の関係が分かれば，日(1981). Electroencephalographic analysis of

長条件を人為的に調節することで，養殖魚の成長

activities in the optic tectum of unrestrained
carp. Behav . Brain Res ., 2, 335-346.

促進を図れる可能性がある。加えて，飼育下の魚類の睡眠を管理・評価することで，魚に対しスト

小栗頁・ 白 川 修 一 郎・ 内 山

真・ 大 川 匡 子

レスの少ない生育環境の最適化を進めることがで(1991). 魚類の睡眠行動の探索―休止時におきる。

けるコイ (Cyprinus carpio ) 視葉脳波の解析―. 東邦大学教養紀要, 23, 35-42.

現在，洋上風力発電や海底鉱物資源開発といった新たな海洋開発事業が進められており，これら― 69 ―