[논문 리뷰] Expertise and Task Pressure in fNIRS-based brain Connectomes

Fani Deligianni, Harsimrat Singh외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 01.

Functional Brain Connectivity Studies참고 문헌 40인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 라파로스코픽 수술 과제 중 전 frontal-운동망의 역동성을 fNIRS로 측정함으로써 수련의의 전문성과 시간 압박이 뇌 연결성에 미치는 영향을 조사한다. 결과적으로 고위 수련의는 시간 압박 하에서도 더 높은 뇌 연결성의 유연성을 보였으며, 소월 구조 지수와 같은 전역적 네트워크 특성은 잠재적 스트레서를 감지하는 데 유용하다.

ABSTRACT

Acquisition of bimanual motor skills, critical in several applications ranging from robotic teleoperations to surgery, is associated with a protracted learning curve. Brain connectivity based on functional Near Infrared Spectroscopy (fNIRS) data has shown promising results in distinguishing experts from novice surgeons. However, it is less well understood how expertise-related disparity in brain connectivity is modulated by dynamic temporal demands experienced during a surgical task. In this study, we use fNIRS to examine the interplay between frontal and motor brain regions in a cohort of surgical residents of varying expertise performing a laparoscopic surgical task under temporal demand. The results demonstrate that prefrontal-motor connectivity in senior residents is more resilient to time pressure. Furthermore, certain global characteristics of brain connectomes, such as the small-world index, may be used to detect the presence of an underlying stressor.

연구 동기 및 목표

• 다양한 전문성 수준을 가진 수술 수련의에서 시간 압박이 뇌 연결성 패턴에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 시간 제약 조건 하에서 초보자와 숙련자 수련의 간 전 frontal-운동망 연결성이 어떻게 다른지 조사하기 위해.
• 소월 구조 지수와 같은 전역적 네트워크 위상 구조가 과제 유도 스트레스의 존재를 반영하는지 평가하기 위해.
• fNIRS를 통해 유도된 연결성 특징가 수술 과제 중 전문성과 인지 부하의 바이오마커로 활용될 수 있는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 라파로스코픽 수술 과제 중 전 frontal 및 운동 뇌 영역의 혈액동역학 반응을 fNIRS로 기록하였다.
• 산소화혈색소 신호를 기반으로 상관관계 기반 방법을 사용하여 전 frontal 및 운동 영역 간의 기능적 연결성을 계산하였다.
• 소월 구조 지수를 포함한 전역적 네트워크 지표를 계산하여 뇌 연결성의 위상적 조직을 평가하였다.
• 수술 전문성 수준(초급자 대 고위자)에 따라 참가자를 그룹화하고, 시간 압박 유무 두 조건에서 분석하였다.
• 전문성 그룹 간 및 과제 조건 간 연결성 강도와 네트워크 위상 구조에 대한 통계적 비교를 수행하였다.
• 시간 압박이 전문성 수준에 따라 뇌 신경 역학에 미치는 영향을 분리하기 위해 내부 설계를 채택하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 전문성 수준을 가진 수술 수련의에서 시간 압박이 전 frontal-운동망 연결성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 시간 제약 조건 하에서 초보자와 숙련자 수련의 간 신경 유연성에 차이가 있는가?
• RQ3 소월 구조 지수와 같은 전역적 네트워크 위상 구조가 fNIRS 연결성에서 과제 유도 스트레스의 존재를 감지할 수 있는가?
• RQ4 fNIRS 기반 뇌 연결성 특징가 압박 조건 하에서 숙련자와 초보자의 성과를 구분할 수 있는가?

주요 결과

• 고위 수련의는 초급 수련의보다 시간 압박 하에서 전 frontal-운동망 연결성이 유의미하게 더 높은 유연성을 보였다.
• 시간 압박 하에서 뇌 연결성의 소월 구조 지수가 변화하여 스트레스의 감지 가능한 신경적 지표로 나타났다.
• 전문성 수준이 시간 제약 조건에 대한 연결성 변화 정도를 조절하였으며, 고위 수련의는 안정적인 네트워크 구성 유지하였다.
• 고위 수련의는 고압 조건에서 전 frontal 및 운동 영역 간의 기능적 연결성 강도가 덜 방해받았다.
• 전역적 네트워크 위상 구조 지표는 과제 요구 수준에 민감하여 인지 부하의 바이오마커로서의 잠재력을 보였다.
• 이러한 결과는 fNIRS 기반 연결성 분석이 수술 교육 환경에서 전문성과 스트레스 반응성을 평가하는 데 활용될 수 있음을 뒷받침한다.