呼吸波の信号成分分析による魚類のストレス度推定法に関する研究

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K06195
• Research Institution: Kure National College of Technology
• Principal Investigator: 平野 旭 呉工業高等専門学校, 電気情報工学分野, 准教授 (60594778)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 呼吸信号

Outline of Annual Research Achievements

呼吸頻度が高ければ正弦波に近い呼吸波形が観測されるが，呼吸頻度が比較的ゆっくりである通常時では，最大値から最小値へのなだらかな変化と，最小値付近，もしくは最大値から最小値に変化する途中で一時的に大きくなるような特徴的な変化が観測される傾向にある．この特徴的な呼吸波形について，初年度は，呼気・吸気のタイミングと，計測される信号形状の関係を解明する計画とした．実際に高速度カメラを用いて計測を試みた場合，ひれの動きは詳細に捉えられるが，呼吸に関与している鰓蓋の動きは微々たるもので，その変化量をとらえることの難しさが分かった．
そこで，他の生物の呼吸計測データを調査した結果，マウスでも良く似た波形が観測されることが分かった．本研究では，最大値から最小値，最小値から最大値が，それぞれ「呼気」「吸気」に該当しているものと予測していたが，計測波形から直流成分を除去し，ゼロレベル以下が吸気，ゼロレベル以上が呼気に該当することが分かった．メダカの場合，GND電極に対する正極と負極を用いて水中で計測される電気信号を作動増幅で計測している．メダカが正極を向いていたか，負極を向いていたかによって計測される波形が反転することは従来から確認されていたが，最小値付近で一時的増大が見られる波形が，吸気によるものか呼気によるものか，解析の目途が立つことになった．
以上の点を踏まえ，ストレス負荷実験に向けた長期間連続計測を試みる再現実験に着手していたが，システムへの大きなノイズ混入が確認された．各種原因を調べる中，長期間，水中に暴露することによる，水中の炭素平板電極と誘導コードにおける電気的な接着不良が判明し，改善の必要性が確認された．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

呼吸波を計測するシステムにおいて，長期間，計測電極と誘導コードを水中に暴露することにより，電気的な接触不良が生じることが分かった．接触部分における改善が必要となり，計測実験が遅れている点．これにより，研究実績の概要欄で述べた呼吸信号の特徴的な形状が，呼気によるものか吸気によるものか明確に分析できていないため．

Strategy for Future Research Activity

まず，研究実績の概要欄および進捗状況の欄で述べた「呼吸波計測システム」を用いた長期間計測において問題となる部分を改良し，計測システムの再構築を行う．具体的には，接着部分の導電性を保護するための防水加工の工夫である．
次に，ストレス負荷実験にとりかかる．本年度の予備調査によると，血中コルチゾルを分析する解剖実験において，倫理上，麻酔を用いることが必要性がうかがえた．しかしながら，関係する研究で用いられている薬品が麻酔であるか筋弛緩剤であるかはっきりと議論が収束していないため，追加調査を行いながら，血中コルチゾル濃度をストレスマーカーとした呼吸波形とストレス度の関係解析に取り組む予定である．

Causes of Carryover

当初，購入を予定していた高速度カメラでは，想定していた鰓蓋の開閉に関する動画像データが十分に得られないことが判明した為に次年度使用額が発生した．一方，来年度に向けた予備調査により，次年度以降の血中コルチゾル分析には，想定外の化学薬品を取り扱う必要性や外部への分析委託の必要性が伺えた為，これらの費用として利用する計画である．