[论文解读] Expertise and Task Pressure in fNIRS-based brain Connectomes

Fani Deligianni, Harsimrat Singh+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Functional Brain Connectivity Studies参考文献 40被引用 4

一句话总结

本研究利用fNIRS测量腹腔镜手术任务中前额-运动网络动态，探究外科住院医师的专长水平与时间压力如何调节脑连接性。结果表明，高年资住院医师在时间压力下表现出更强的前额-运动连接性韧性，且全局网络特性（如小世界指数）可检测潜在应激因素。

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.

研究动机与目标

• 检验时间压力对不同专长水平外科训练生脑连接性模式的影响。
• 探究在时间约束下，新手与专家住院医师的前额-运动网络连接性是否存在差异。
• 评估全局网络拓扑结构（如小世界指数）是否能反映任务诱导应激的存在。
• 确定fNIRS衍生的连接组特征是否可作为外科任务中专长水平与认知负荷的生物标志物。

提出的方法

• 使用fNIRS记录腹腔镜手术任务中额叶与运动区脑区的血流动力学反应。
• 基于氧合血红蛋白信号，采用基于相关性的方法计算前额叶与运动区之间的功能连接性。
• 计算全局网络指标（包括小世界指数），以评估脑连接组的拓扑组织结构。
• 根据外科专长水平（初级与高年资住院医师）对参与者分组，并在有与无时间压力两种条件下进行分析。
• 对不同专长组别及任务条件下的连接性强度与网络拓扑结构进行统计比较。
• 本研究采用被试内设计，以分离时间压力对不同专长水平神经动态的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 时间压力如何影响不同专长水平外科住院医师的前额-运动连接性？
• RQ2 在时间约束下，新手与专家住院医师的神经韧性是否存在差异？
• RQ3 全局网络拓扑结构（如小世界指数）能否检测fNIRS连接组中的任务诱导应激？
• RQ4 fNIRS基脑连接组特征是否能区分高压力条件下专家与新手的表现？

主要发现

• 与初级住院医师相比，高年资外科住院医师在时间压力下表现出显著更强的前额-运动连接性韧性。
• 在时间压力下，脑连接组的小世界指数发生改变，表明存在可检测的神经应激标志。
• 专长水平调节了对时间约束的连接性变化程度，高年资住院医师维持了稳定的网络构型。
• 在高压条件下，前额叶与运动区之间的功能连接强度在高年资住院医师中受干扰更小。
• 全局网络拓扑指标对任务需求敏感，表明其在认知负荷生物标志物中的潜在应用价值。
• 研究结果支持使用基于fNIRS的连接组分析来评估外科训练中的专长水平与应激反应性。