[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究表明，在学习腹腔镜技能的医学生中，对初级运动皮层施加经颅直流电刺激（tDCS）可降低手术错误率并减少表现变异性。通过同步fNIRS神经成像，tDCS被证实可增强皮层激活，且在训练后一个月仍保持更高的准确性和脑活动水平，支持tDCS作为提升外科训练中精细双侧运动技能习得的工具。

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.

研究动机与目标

• 调查非侵入性tDCS是否能增强腹腔镜手术中所需的复杂精细双侧运动技能的学习。
• 检查在手术任务训练期间，tDCS诱导的皮层激活与表现准确率之间的关系。
• 评估tDCS辅助训练后，表现改善和神经生理变化的长期保留情况。
• 使用功能性近红外光谱（fNIRS）实时监测tDCS增强的外科技能学习过程中的脑激活。

提出的方法

• 开展为期12天的训练方案，17名医学生完成基本腹腔镜手术（FLS）模式切割任务。
• 在训练期间对初级运动皮层施加经颅直流电刺激（tDCS），并与假刺激对照组进行比较。
• 同步使用功能性近红外光谱（fNIRS）记录皮层活动，评估任务执行期间血流动力应答的变化。
• 测量包括错误次数和任务完成时间变异性在内的表现结果。
• 在训练后一个月进行随访评估，以检验表现和神经激活变化的保留情况。
• 使用统计分析比较tDCS组与假刺激组在各时间点的错误率、变异性及fNIRS激活水平。

实验结果

研究问题

• RQ1 对初级运动皮层施加tDCS是否能降低学习复杂腹腔镜手术任务过程中的错误率？
• RQ2 在使用fNIRS测量时，tDCS对腹腔镜技能训练期间初级运动皮层的皮层激活模式有何影响？
• RQ3 tDCS带来的表现改善和脑激活增强是否在训练后一个月仍能保留？
• RQ4 fNIRS测量的增强皮层激活与手术任务中表现变异性降低之间是否存在相关性？

主要发现

• 与假刺激组相比，tDCS显著降低了手术任务的错误水平，且表现变异性明显减少。
• fNIRS数据显示，在tDCS会话期间，初级运动皮层的皮层激活显著增强，表明神经参与度提高。
• 手术错误减少和脑激活增强在训练后至少一个月内得以维持。
• tDCS组在任务表现上表现出更高的稳定性，表现为完成时间标准差更低。
• 研究观察到fNIRS信号增强与任务准确率提升之间存在强烈关联，提示神经生理机制可能介导了表现提升。
• 未报告不良反应，支持tDCS在手术训练环境中的安全性和可行性。