OpenStride: 齧歯類の運動活動と行動を定量化するための低コスト・オープンソース力板アクトメトリーシステム

なぜ小さな足跡を測ることが重要なのか

動物の動き方は、わずかな振戦から不器用で不安定な歩行まで、その脳や身体について多くを示します。研究者はマウスやラットのこれらの変化を調べることで、パーキンソン様の振戦、遺伝性運動失調、あるいは新薬の効果などを探ります。しかし、自然な動きを精密に測定するための道具は高価で閉鎖的、入手困難なことが多いのです。本論文はOpenStrideを紹介します。これは低コストでオープンソースのシステムで、研究室が自ら印刷・組み立てできる部品を使って齧歯類の動きを細部まで追跡できます。

平凡な箱に潜む触覚

OpenStrideは平らな床を持つ小さな箱のように見えますが、歩行面は四隅近くに配置された四つの力センサーの上に載っています。マウスやラットが自由に動くと、体重はセンサー間で移動します。これらの変化する力から、システムは動物の重心を毎秒何百回も計算し、各ステップを正確な位置の軌跡に変換します。ハードウェアは3Dプリントのプラスチック部品、透明アクリルの囲い、安価なロードセル、単一のデータ取得ボードで構成され、振動を抑えるためのフォームパッドとともに重いコンクリート基台に取り付けられます。大学の工作室で一般的な工具を使って組み立てれば、全体の構築費は約550米ドルです。

生の力から移動マップへ

著者らは四つのセンサーからの生信号を記録し、それを時間に沿った位置に変換し、さらに有用な運動指標を算出するソフトウェアを作成しました。一般的な活動として、OpenStrideは動物がどれだけ移動したか、どれくらいの速度で移動したか、1秒以上停止している回数を合算します。また、四角いアリーナの端を好むか、開けた中心部で過ごすかといった、不安様行動の古典的な指標も追跡します。これら全ての計算は単純な平滑化を施した重心軌跡に基づいており、平滑化の強さはユーザーが調整できます。システムは未フィルタリングのデータを保存するため、後から新たな解析を適用しても実験をやり直す必要がありません。

精度と安定性の検証

OpenStrideの計測が信頼できることを示すため、研究チームはまず動物を使わずに装置をテストしました。プレートの中心に小さな重りを置くと、1分間でほとんどドリフトせず、位置変化はミリメートルの分数単位でした。重い重りは微小な揺れをむしろ減らし、近くに落ちたピンポン球のような外乱に対する感度も下げました。次に、指で四隅から対角線を描くように往復し、センサーデータから算出した距離は繰り返し試行でも30×30センチメートルの床の真の対角長に近く、一筆の経路長を正確に捕らえられることを確認しました。

健康な個体と不安定な個体の動きを観察する

次にチームは実際の動物の記録を行いました。正常なマウスと正常なラットはそれぞれ数分間アリーナを探索し、互いに異なる動き方を反映した複雑な軌跡を生成しました。マウスはより連続的に徘徊し、主に壁付近に留まる傾向があり、ラットはあまり歩かずほぼ停止している時間が多いことが示されました。同じデータから、ソフトウェアは低活動期間を特定して累積値を算出し、中心対端の滞在時間も作成しました。最後に研究者らは、進行性の小脳障害と不安定な歩行を引き起こす突然変異を持つ「シェイカー」ラットと健康なラットを比較しました。経路の1秒ごとの区間がどれだけねじれているかを調べることで「運動失調比」を導き、シェイカーラットで高値を示しました。また速度信号を周波数領域で解析すると、影響を受けた個体群で3〜8ヘルツ帯に余分なパワーが見られ、振戦が強いことを反映していました。

将来の研究にとってこの新しいツールが意味すること

OpenStrideは既存の高価な市販システムが持つ最高精度には及ばず、サンプリングレートも低めですが、このトレードオフにより手頃で柔軟、再現しやすい点が得られます。著者らはすべての設計ファイル、部品リスト、ソフトウェアスクリプトを公開のコードホスティングサイトに公開しており、他の研究グループがシステムを構築、適応、拡張できるようにしています。神経科学、心理学、薬理学の多くの問い、特に全体的な活動、単純な不安定歩行の指標、ラットの振戦に焦点を当てた研究において、OpenStrideはすでに有用に機能します。より多くの研究者が採用・改良するにつれて、このオープンプラットフォームは、十分に装備されたどの研究室でも組み立てられる道具で、より自然で豊かな動作を計測する動物行動研究への転換を促す可能性があります。

引用: Yang, Y., Cooper, B., Houghton, M. et al. OpenStride: an inexpensive, open-source force plate actometry system for quantification of rodent motor activity and behaviour. Sci Rep 16, 15147 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44953-z

キーワード: 齧歯類の行動, 力板, 歩行解析, 振戦, オープンソースハードウェア