[논문 리뷰] Decreasing the Surgical Errors by Neurostimulation of Primary Motor Cortex and the Associated Brain Activation via Neuroimaging

Yuanyuan Gao, Lora Cavuoto외 10명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 09.

Intraoperative Neuromonitoring and Anesthetic Effects참고 문헌 24인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 일반 외과 수술 기초 기술을 학습하는 의예학생들이 주된 운동 피질에 경두개직류전류자극(tDCS)을 적용받을 경우 수술 오류 빈도와 성능 변동성을 감소시킨다는 것을 입증한다. 동시 fNIRS 뇌영상 분석을 통해 tDCS는 뇌 활동을 향상시켜 한 달 후에도 정확도 향상과 뇌 활동 증가가 유지됨을 확인하였으며, 이는 수술 교육에서 정밀 이완도 운동 기술 습득을 향상시키는 데 tDCS가 효과적인 도구가 될 수 있음을 뒷받침한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 복강경 수술에 필요한 복잡한 정밀 이완도 운동 기술 습득을 향상시키기 위해 비침습적 tDCS가 효과가 있는지 조사하기 위해.
• 수술 과제 훈련 중 tDCS 유도 뇌 활동과 성능 정확도 간의 관계를 검토하기 위해.
• tDCS를 활용한 훈련 후 성능 향상과 뇌 생리학적 변화의 장기 유지 여부를 평가하기 위해.
• 복강경 수술 기술 학습 중 실시간 뇌 활동 변화를 모니터링하기 위해 기능적 근적외선 스펙트로스코피(fNIRS)를 사용하기 위해.

제안 방법

• 17명의 의예학생을 대상으로 12일간의 훈련 프rotocol를 시행하였으며, 이들은 복강경 수술 기본 기술(Fundamentals of Laparoscopic Surgery, FLS) 패턴 커팅 과제를 수행하였다.
• 훈련 중 주된 운동 피질에 경두개직류전류자극(tDCS)을 적용하였으며, 위약 자극 대조군과 비교하였다.
• 과제 수행 중 혈류동역학 반응 변화를 평가하기 위해 기능적 근적외선 스펙트로스코피(fNIRS)를 동시에 기록하였다.
• 오류 수와 과제 완료 시간의 변동성을 포함한 성능 결과를 측정하였다.
• 훈련 종료 후 1개월 간의 후속 평가를 실시하여 성능 및 뇌 활동 변화의 유지 여부를 평가하였다.
• 오류 빈도, 변동성, fNIRS 활동 수준에 대해 tDCS군과 위약군을 시간 경과에 따라 통계 분석으로 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주된 운동 피질에 tDCS를 적용할 경우, 복잡한 복강경 수술 과제 학습 중 오류 빈도가 감소하는가?
• RQ2 fNIRS로 측정한 바, tDCS는 수술 기술 훈련 중 주된 운동 피질의 뇌 활동 패턴에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 tDCS로 유도된 성능 향상과 뇌 활동 증가가 훈련 종료 후 1개월 간 유지되는가?
• RQ4 fNIRS로 측정한 뇌 활동 증가와 수술 과제에서의 성능 변동성 감소 사이에 상관관계가 있는가?

주요 결과

• tDCS군은 위약군 대비 수술 과제에서 오류 빈도가 유의미하게 감소하였으며, 성능 변동성도 감소하였다.
• fNIRS 데이터는 tDCS 세션 중 주된 운동 피질에서 뚜렷한 뇌 활동 증가를 보여주어 신경 기여도 향상을 시사하였다.
• 수술 오류 감소와 뇌 활동 증가 효과는 훈련 종료 후 최소 1개월 간 유지되었다.
• tDCS군은 과제 완료 시간의 표준편차가 낮아, 성과 일관성이 더 높았음을 확인하였다.
• fNIRS 신호 증가와 과제 정확도 향상 간 강력한 연관성이 관찰되어, 뇌 기능적 기전이 성과 향상의 기초가 되는 것으로 추정되었다.
• 유해한 부작용은 보고되지 않아, tDCS가 수술 훈련 환경에서 안전하고 실현 가능하다는 점을 뒷받침하였다.