[論文レビュー] Decreasing the Surgical Errors by Neurostimulation of Primary Motor Cortex and the Associated Brain Activation via Neuroimaging

Yuanyuan Gao, Lora Cavuoto+10 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2020

Intraoperative Neuromonitoring and Anesthetic Effects参考文献 24被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、腹腔鏡手術の習得を学ぶ医学生に対して一次運動皮膚に経頭蓋直流出刺激（tDCS）を適用した結果、手術ミスの頻度とパフォーマンスのばらつきが低下することを示した。併用されたfNIRS神経イメージングにより、tDCSが皮膚の活動を増強し、訓練終了後1か月経過しても精度の向上と脳活動の増加が維持されることを確認した。これは、tDCSが外科手術訓練における微細な両手運動スキル習得を支援する有効なツールであることを裏付ける。

ABSTRACT

Acquisition of fine motor skills is a time-consuming process as it requires frequent repetitions. Transcranial electrical stimulation is a promising means of enhancing simple motor skill development via neuromodulatory mechanisms. Here, we report that non-invasive neurostimulation facilitates the learning of complex fine bimanual motor skills associated with a surgical task. During the training of 17 medical students on the Fundamentals of Laparoscopic Surgery (FLS) pattern cutting task over a period of 12 days, we observed that transcranial direct current stimulation (tDCS) decreased the error level and the variability in performance, compared to the Sham group. By concurrently monitoring the cortical activations of the subjects via functional near-infrared spectroscopy (fNIRS), our study showed that the cortical activation significantly stimulated by tDCS. The lowered performance error and the increased brain activation were retained after one-month post-training. This work supports the use of tDCS to enhance performance accuracy in fine bimanual motor tasks.

研究の動機と目的

• 腹腔鏡手術に必要な複雑な微細な両手運動スキルの習得を、非侵襲的tDCSが向上させるかどうかを調査すること。
• 外科的タスク訓練中にtDCS誘発性の皮膚活動とパフォーマンスの正確さの関係を検討すること。
• tDCS支援訓練後の長期的なパフォーマンスの改善および神経生理的変化の保持状況を評価すること。
• 機能的近赤色分光法（fNIRS）を用いて、tDCS強化型外科スキル習得中の脳の即時の活動をモニタリングすること。

提案手法

• 17名の医学生が12日間の訓練プロトコルに従い、ファンドメンタルズ・オブ・ラパロスコピック・サージリー（FLS）のパターンカットタスクを実施した。
• 訓練中に一次運動皮膚に経頭蓋直流出刺激（tDCS）を適用し、シャム刺激対照群と比較した。
• 同時に、機能的近赤色分光法（fNIRS）を用いて皮膚活動を記録し、タスク遂行中のヘモダイナミックな反応の変化を評価した。
• ミス数およびタスク完了時間のばらつきといったパフォーマンスの結果を測定した。
• 訓練終了後1か月にわたるフォローアセスメントを実施し、パフォーマンスおよび神経活動変化の保持状況を評価した。
• 誤差率、ばらつき、fNIRS活性化レベルについて、tDCS群とシャム群を時間経過とともに統計解析で比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一次運動皮膚にtDCSを適用することで、複雑な腹腔鏡手術タスクの習得中にミス頻度が低下するか？
• RQ2 fNIRSで測定した場合、tDCSは外科スキル訓練中の一次運動皮膚の皮膚活動パターンにどのように影響を与えるか？
• RQ3 tDCSによるパフォーマンスの改善および脳活動の増強は、訓練終了後1か月で保持されるか？
• RQ4 fNIRSで測定された皮膚活動の増強と外科的タスクにおけるパフォーマンスのばらつきの低減には相関があるか？

主な発見

• tDCS群ではシャム群と比較して手術タスクのミス頻度が有意に低下し、パフォーマンスのばらつきも明確に減少した。
• fNIRSデータにより、tDCSセッション中、一次運動皮膚での皮膚活動が顕著に増加しており、神経の関与が強化されていることが示された。
• 手術ミスの低減と脳活動の増強は、訓練終了後少なくとも1か月にわたり維持された。
• tDCS群では、タスク完了時間の標準偏差が低く、パフォーマンスの一貫性が高まったことが示された。
• fNIRS信号の増加とタスク正確性の向上の間に強い関連が観察されたことから、神経生理的メカニズムがパフォーマンス向上の裏付けとなっている可能性が示唆された。
• 有害事象は報告されず、tDCSが外科手術訓練の文脈において安全で実用的であることが支持された。