2016 Fiscal Year Research-status Report
生体電気信号から魚の心理を推定する：『生物感性工学』への挑戦
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16K12513
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
辻 敏夫 広島大学, 工学研究院, 教授 (90179995)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉田 将之 広島大学, 生物圏科学研究科, 准教授 (70253119)
平野 旭 呉工業高等専門学校, 電気情報工学分野, 准教授 (60594778)
曽 智 広島大学, 工学研究院, 助教 (80724351)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 小型魚類 / 感性計測評価 / 生体信号計測 / 行動計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，モデル生物であるゼブラフィッシュとメダカの心理状態推定法の開発を目指す．具体的には，生体電気信号から魚の生理状態と運動状態を計測し，魚の心理状態の表現軸を見出してこれにマッピングすることにより，ストレスを含めた心理状態を推定する．本手法が開発できれば，飼育魚の精神衛生管理や外部刺激を利用した魚の心理状態制御，さらにはヒトとのコミュニケーションツールなどを実現できる可能性がある．本研究課題は以下の４つの小目標で構成される： (1)魚の生体電気信号から生理状態と運動状態を同時計測するアルゴリズムの開発．(2)心理刺激実験プロトコルを設計し，生理状態と運動状態を解析することにより魚の心理状態を表現する空間軸を見出す．(3)計測した生理・運動指標を心理状態空間に変換するアルゴリズムの開発．(4)心理状態制御モデルを構築することにより魚の心理状態の制御と未来予測を実現．平成２８年度は(1)～(3)項について以下を実施した．
(1)：3Dプリンタを用いて計測水槽を製作し，水槽底面に多数の計測電極を配置することにより，生体電気信号中に含まれる呼吸波の発生源の位置を推定するアルゴリズムを開発した．そして，推定位置周辺の電極で計測された生体電気信号をバンドパスフィルタで濾波することにより呼吸波を抽出し，呼吸のリズムなど生理状態を表す指標を抽出した．
(2)：計測した生理状態と運動状態から心理状態を表現する空間軸を見出すため，心理刺激実験を行った．本年度は，恐怖行動を誘発する刺激を魚に与え，生体電気信号と行動を計測した．
(3)：当初の研究計画では平成２９年度以降に実施予定であった魚の心理状態を表現する空間軸についても検討し，判別分析に基づいて呼吸のリズムと運動速度から得られた指標を用いて恐怖感情を構成する心理軸を導いた（松野ら，第２５回計測自動制御学会中国支部講演会）．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初の計画においては，Ｈ２８年度までに魚の生体電気信号から生理状態と運動状態を同時計測するアルゴリズムの開発を行い，心理刺激実験プロトコルを設計するとともに，心理状態推定のためのデータ収集実験を行う予定であった．研究実績の概要で述べたようにＨ２８年度までに以上の項目は達成済である．さらに，判別成分分析を用いて魚に恐怖行動が表出した時の生理指標と運動指標を解析することにより，魚の心理状態（恐怖）を表現する空間軸を見出した．これは，当初の計画では２９年度から実施する予定であった項目であり，当初の計画以上の成果が得られたため．
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| Strategy for Future Research Activity |
Ｈ２８年度までに，小型魚類の生体電気信号が計測可能な実験環境を整備し，生体電気信号から呼吸指標と行動指標を抽出するシステムの構築に成功した．また，恐怖行動を誘発する化学物質を魚に与えたときの魚の行動と呼吸リズムを計測し，恐怖が表現可能な心理空間軸を生理指標と運動指標から構成することに成功した．
Ｈ２９年度からは，引き続き心理刺激実験プロトコルの設計を行い，感情円環モデルに基づいて，快・不快，および，活性・非活性状態を誘起する刺激を魚に与え，生体電気信号と行動を計測し，種々の心理状態が表現可能な空間軸を抽出する予定である．また，当初の研究計画に基づき，生理状態と運動状態から心理状態の表現空間軸を見出し，この空間へのマッピングアルゴリズムを構築する．さらに，魚の心理状態の動的変化を予測する心理状態制御モデルを構築し，ヒトと魚のコミュニケーションツールや飼育魚の精神衛生管理システムへの応用を検討する．生理状態と運動状態は心理刺激によって動的に変化すると考えられるため，独立成分分析や主成分分析などの統計学的手法を用いて生理状態と運動状態から抽出した指標を解析し，心理状態をもっともよく説明できる成分を見出す．さらに，各指標と心理状態の間の非線形的な関係についても解析するため，相互情報量や偏KL情報量[Shibanoki et al., 2013]という研究代表者らが提案する特徴量の選定法に基づいて心理状態の表現に重要な役割を担う指標を明らかにするとともに，選定された指標を用いてニューラルネットのディープラーニングに用いられている要素技術である自己符号化器のパラメータを調整することで心理状態を表現する空間軸を見出す．
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| Causes of Carryover |
当初の研究計画では，平成２８年度にさまざまな心理状態を誘発する化学物質を魚に投与して生体電気信号を計測する予定であり，化学物質を購入する予定であった．しかしながら，恐怖だけを対象として，平成２９年度以降に予定していた心理軸の抽出という課題を繰り上げて実施したため，平成２８年度は化学物質を購入する必要がなくなったため．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度使用額は，当初の計画通り，さまざまな心理状態を誘発するための化学物質を購入する予定である．
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