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Mar 11, 2024

Die transkranielle Gleichstromstimulation M1 verbessert den Erwerb laparoskopischer chirurgischer Fähigkeiten

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 13731 (2023) Diesen Artikel zitieren 123 Zugriffe auf 2 Altmetric Metrics-Details Der Erwerb grundlegender chirurgischer Fertigkeiten ist ein zentraler Bestandteil der medizinischen Ausbildung

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 13731 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Der Erwerb grundlegender chirurgischer Fertigkeiten ist ein wichtiger Bestandteil der medizinischen Ausbildung, und Auszubildende in der laparoskopischen Chirurgie beginnen ihre Fertigkeiten in der Regel mithilfe von Simulationsbox-Trainern zu entwickeln. Doch trotz der Vorteile einer simultanchirurgischen Ausbildung kann der Zugang für viele Auszubildende schwierig sein. Eine Technik, die sich als vielversprechend erwiesen hat, um das bewusste Üben motorischer Fähigkeiten zu verbessern, ist die transkranielle Elektrostimulation (tES). Der Zweck dieser Studie bestand darin, den Einfluss der transkraniellen Gleichstromstimulation (tDCS) auf durch Training verursachte Verbesserungen und die Beibehaltung traditioneller zeit- und kinematikbasierter laparoskopischer chirurgischer Fertigkeitsmetriken zu bewerten. 49 Medizinstudenten wurden nach dem Zufallsprinzip einer Neurostimulations- oder Scheingruppe zugeteilt und absolvierten fünf Trainingssitzungen mit einer laparoskopischen Aufgabe zum Perlentransfer und Einfädeln. Die Teilnehmer sowohl der Schein- als auch der Stimulationsgruppe verbesserten nach dem Training ihre Zeit und kinematische Leistung bei beiden Aufgaben erheblich. Obwohl wir herausgefunden haben, dass Teilnehmer, die M1-tDCS erhielten, größere Leistungsvorteile als Reaktion auf das Training einer Perlenübertragungsaufgabe sahen, verglichen mit Teilnehmern, die eine Scheinstimulation erhielten, wurde für die Einfädelaufgabe kein Effekt der Neurostimulation festgestellt. Dieses Ergebnis wirft neue Fragen hinsichtlich der Auswirkung der Komplexität motorischer Aufgaben auf die Wirksamkeit der Neurostimulation zur Steigerung der durch Training verursachten Verbesserung auf und trägt zu einer wachsenden Zahl von Forschungsarbeiten bei, die die Auswirkungen der Neurostimulation auf die sensorisch-motorische Leistung laparoskopischer chirurgischer Fähigkeiten untersuchen.

Der Erwerb grundlegender chirurgischer Fertigkeiten ist ein zentraler Bestandteil der medizinischen Ausbildung für Medizinstudenten und Nachwuchschirurgen. Die laparoskopische Chirurgie ist eine minimalinvasive Operationstechnik, bei der Trokare und Instrumente durch kleine Einschnitte im Bauch des Patienten eingeführt werden1. Das Operationsfeld wird mithilfe einer Kamera visualisiert, die durch den Nabel des Patienten eingeführt wird. Die Laparoskopie hat gegenüber der herkömmlichen offenen Chirurgie viele Vorteile, insbesondere im Hinblick auf Erholungszeit, Blutverlust und Schmerzen. Daher ist die Laparoskopie in vielen chirurgischen Fachgebieten weit verbreitet2 und angehende Chirurgen müssen sich nun im Rahmen chirurgischer Ausbildungsprogramme3 laparoskopische chirurgische Fähigkeiten aneignen.

Auszubildende in der laparoskopischen Chirurgie beginnen in der Regel mit der Entwicklung ihrer Fähigkeiten mithilfe von Simulationsbox-Trainern. Die Simulation grundlegender chirurgischer Aufgaben bietet chirurgischen Auszubildenden eine sichere Plattform, um die erforderlichen kognitiven und motorischen Fähigkeiten zu entwickeln, ohne dass die Patientenergebnisse gefährdet werden. Eine Vielzahl von Aufgaben können verwaltet werden und spezifische Programme wie die Grundlagen der laparoskopischen Chirurgie (FLS) wurden entwickelt und weltweit in die chirurgischen Ausbildungslehrpläne integriert4. Trotz der Vorteile der Simulationschirurgie-Ausbildung kann der Zugang zur Ausbildung für viele Auszubildende schwierig sein. Klinische Arbeitsbelastungen5, die Verfügbarkeit von Simulationseinrichtungen5 und konkurrierende Anforderungen an begrenzte Ressourcen6 wurden als Hindernisse hervorgehoben, die den Zugang der Auszubildenden zum simulierten chirurgischen Training behindern. In jüngster Zeit hat die Coronavirus-Pandemie die Fähigkeit, Schulungen anzubieten und die Anzahl der Auszubildenden unterzubringen, weiter beeinträchtigt7. Dieser begrenzte Einsatz von Schulungsressourcen kann die chirurgische Leistung und die Gesundheit des Patienten beeinträchtigen8,9. Daher besteht in der Medizin ein zunehmender Bedarf an der Erforschung von Methoden, die den Zugang zu und die Wirksamkeit des simulierten chirurgischen Motoriktrainings auf die chirurgische Leistung verbessern können.

Eine Technik, die sich in den letzten Jahren als vielversprechende Ergänzung zum bewussten Üben motorischer Fähigkeiten erwiesen hat, ist die transkranielle Elektrostimulation (tES). Bei dieser Form der Neurostimulation, die typischerweise als Gleichstrom (tDCS) verabreicht wird, werden kleine elektrische Ströme (1–3 mA) über die Kopfhaut geleitet, um die Erregbarkeit der darunter liegenden kortikalen Neuronen bis zu 60 Minuten nach der Stimulation zu modulieren10,11,12. Bei Anwendung auf die relevante Gliedmaßendarstellung des motorischen Kortex beschleunigt tDCS nachweislich die Verbesserung verschiedener motorischer Fähigkeiten nach dem Training, einschließlich musikalischer Fähigkeiten13,14 und sportlicher Fähigkeiten15,16. Aufgrund des Versprechens dieser Technik sind kommerziell erhältliche tDCS-Geräte verfügbar geworden und haben sowohl die FDA- als auch die CE-Zulassung erhalten. Ein solches Gerät ist das Halo Neuroscience tDCS-Gerät (FlowNeuroscience™), von dem kürzlich gezeigt wurde, dass es trainingsbedingte Leistungsverbesserungen der motorischen Fähigkeiten bei Videospielaufgaben beschleunigt17.

In den letzten fünf Jahren wurden neue Forschungsarbeiten durchgeführt, um die Auswirkungen von tDCS auf den Erwerb chirurgischer Fähigkeiten zu untersuchen. Die wenigen bisherigen Studien unterscheiden sich nicht nur hinsichtlich ihrer methodischen Genauigkeit, sondern auch hinsichtlich des Ortes der Neurostimulation, der von den Experimentatoren bewerteten Aufgaben und der zur Quantifizierung der Leistung verwendeten Metriken. Beispielsweise wurde die Stimulation größtenteils über den präfrontalen Kortex18,19, den primären motorischen Kortex20,21,22,23 oder den ergänzenden motorischen Bereich (SMA21;) verabreicht, wobei die meisten manuell grundlegende Leistungsmetriken, einschließlich der Zeit zur Erledigung der Aufgabe, auswerteten19,24 oder eine Punktzahl, die sich auf die Anzahl der gemachten Fehler bezieht18,20,21,25. Untersuchungen, die die Notwendigkeit robusterer und objektiverer Messgrößen zur Quantifizierung der chirurgischen Leistung hervorheben, haben jedoch gezeigt, dass die Einbeziehung biomechanischer Messgrößen wie Effizienz, Geschwindigkeit und Positionierung der Instrumentenbewegung eine umfassendere Beschreibung der chirurgischen Fähigkeiten liefern kann26,27,28.

Ein solches System, das Software enthält, die in herkömmliche Simulationsbox-Trainer integriert werden kann, um chirurgischen Auszubildenden biomechanische kinematische Daten der Geräte während simulierter chirurgischer Aufgaben bereitzustellen, wurde von der Firma LAPARO (Laparo analytic, Laparo Medical Simulators, Polen) entwickelt. Seit seiner Einführung im Jahr 2015 ist dieses System inzwischen in über 90 Ländern weltweit in über 1000 Krankenhäusern, medizinischen Fakultäten und Simulationszentren in medizinische Einrichtungen integriert. Trotz seiner breiten Akzeptanz hat bisher keine Studie die Wirkung von tDCS auf den Erwerb laparoskopischer Fähigkeiten unter Einbeziehung von Leistungsmetriken der LAPARO-Software untersucht. Durch die Bestimmung der kinematischen Marker für die Verbesserung chirurgischer Fertigkeiten und der Auswirkungen, die tDCS auf diese Marker während des Trainings haben kann, können wir besser verstehen, wie chirurgische Fertigkeiten bewertet und chirurgische Auszubildende trainiert werden können.

Der Zweck dieser Studie bestand darin, die Auswirkungen zu bewerten, die tDCS auf die durch das Training induzierte Verbesserung und Beibehaltung traditioneller zeit- und kinematikbasierter laparoskopischer chirurgischer Fertigkeitsmetriken haben kann. Wir stellten die Hypothese auf, dass diejenigen, die tDCS auf den Handregionen von M1 erhielten, größere, durch das Training vermittelte Verbesserungen in der Zeit, die zum Abschließen simulierter chirurgischer Aufgaben erforderlich ist, in der Entfernung, die Geräte im Verlauf der Aufgabe zurücklegen, und in der durchschnittlichen Geschwindigkeit der Geräte darüber zeigen würden Aufgaben und durch eine Verringerung der Anzahl übermäßiger Geschwindigkeitsereignisse im Vergleich zu denen, die eine Scheinstimulation erhalten.

Dreiundfünfzig (N = 53; 27 weiblich) junge gesunde erwachsene Teilnehmer im Alter von 23,43 ± 2,96 Jahren (Mittelwert ± Standardabweichung) wurden aus der Gruppe der Medizinstudenten des University College Cork rekrutiert. Alle Teilnehmer hatten keine Ahnung vom laparoskopischen Fertigkeitstraining. Nach Ausschlüssen (siehe Methoden unten) wurden 49 Teilnehmer (N = 49; 22 männlich) zur Datenverarbeitung und -analyse vorgezogen. Unabhängige Stichproben-T-Tests ergaben keine signifikanten Unterschiede zwischen männlichen und weiblichen Teilnehmern für irgendeine Leistungsmetrik sowohl bei den Perlenübertragungs- als auch bei den Einfädelaufgaben (Ergänzungsdatei 1).

Der Effekt der Sitzung (F(1,608, 107,724) = 525,407, p < 0,001, ƞ2 = 0,887) und der Interaktionseffekt zwischen Sitzung und Stimulationsbedingung (F(1,608, 107,724) = 5,788, p = 0,007, ƞ2 = 0,080). beide sind für TTC bei der Perlenübertragungsaufgabe von Bedeutung. Post-hoc-Vergleiche ergaben, dass die Teilnehmer beider Stimulationsbedingungen die Zeit, die zum Abschließen der Perlenübertragungsaufgabe nach 5 Trainingstagen erforderlich war, deutlich reduzierten (p < 0,001) und dass diese Reduzierung auch beim Retentionstest 5 Tage nach dem Post-Test erhalten blieb (Post vs . Retention: Stim; p = 0,063, Sham; p = 0,972). Nachdem bestätigt wurde, dass zwischen den Stimulationsbedingungen kein signifikanter Unterschied in der TTC-Ausgangsleistung besteht, ergab die ANCOVA-Analyse, dass nach Kontrolle der Schwankungen der Ausgangsleistung ein signifikanter Haupteffekt der Bedingung gefunden wurde (F(1, 66) = 5,028, p = 0,028, ƞ2 = 0,071). ), wobei diejenigen in der Stimulationsgruppe die Zeit bis zum Abschluss des Perlentransfers um 38,989 ± 17,389 s mehr verkürzen konnten als diejenigen in der Scheingruppe (Abb. 1A).

Die durchschnittliche (± SE) Zeit (in Sekunden), die von Teilnehmern, die aktives tDCS (STIM; grün) und Schein-tDCS (SHAM; Schwarz). *Stellt signifikante Unterschiede zwischen Neurostimulationsgruppen bei einem Alpha-Wert von 0,05 dar.

In der Threading-Aufgabe wurde ein signifikanter Haupteffekt der Sitzung gefunden (F(2, 168) = 280,318, p < 0,001, ƞ2 = 0,769) für TTC in der Threading-Aufgabe (Abb. 1B). Post-hoc-Vergleiche ergaben, dass alle Teilnehmer ihre Leistung zwischen Baseline- und Post-Sitzungen um 185,804 ± 10,791 s und zwischen Post- und Retention-Sitzungen um weitere 48,030 ± 9,347 s verbessern konnten (alle p < 0,001). Für die Stimulationsbedingung oder das Gerät wurde kein Haupteffekt gefunden, und es wurden auch keine signifikanten Interaktionseffekte gefunden (Ergänzungsdatei 1).

Für die zurückgelegte Distanz waren sowohl der Haupteffekt der Sitzung (F(1,439, 96,401) = 191,134, p < 0,001, ƞ2 = 0,740) als auch die Interaktion zwischen Sitzung und Stimulationsbedingung signifikant (F(1,439, 96,401) = 4,704, p =). 0,020, ƞ2 = 0,066). Post-hoc-Vergleiche ergaben, dass die Teilnehmer beider Stimulationsbedingungen die Distanz, die ihre Geräte zurücklegten, um die Aufgabe des Perlentransfers abzuschließen, nach 5 Trainingstagen deutlich reduzierten (p < 0,001). Darüber hinaus blieb diese Verringerung beim Retentionstest 5 Tage nach dem Post-Test für die Scheingruppe erhalten (Post vs. Retention: Schein; p = 0,081), bei der Retentionsgruppe wurden für die Stim-Gruppe weitere Verbesserungen beobachtet (Post vs. Retention: Stim; p < 0,001). Nachdem bestätigt wurde, dass zwischen den Stimulationsbedingungen kein signifikanter Unterschied in der TTC-Basisleistung vorliegt, ergab die ANCOVA-Analyse, dass nach Kontrolle der Variationen in der Basisleistung ein signifikanter Haupteffekt des Geräts festgestellt wurde (F(1, 66) = 9,326, p = 0,003, ƞ2 = 0,124). ). Während die Auswirkung der Kondition nicht signifikant war (F(1, 66) = 3,088, p = 0,084, ƞ2 = 0,045), gab es bei den Teilnehmern der Stimulationsgruppe eine Tendenz, den Weg ihrer Instrumente in Post- und Retention-Sitzungen zu reduzieren um 77,449 cm mehr als diejenigen in der Scheingruppe (Abb. 2A).

Die durchschnittliche (± SE) zurückgelegte Distanz (in Metern) von beiden Geräten während der Durchführung der Perlentransfer- (A) und Einfädelaufgaben (B) bei Baseline-, Post- und Retention-Sitzungen durch Teilnehmer, die aktives tDCS (STIM; grün) und Schein erhalten haben tDCS (SHAM; schwarz). *Stellt signifikante Unterschiede zwischen Neurostimulationsgruppen bei einem Alpha-Wert von 0,05 dar.

In der Threading-Aufgabe wurde ein signifikanter Haupteffekt der Sitzung gefunden (F(2, 166) = 122,697, p < 0,001, ƞ2 = 0,596) für TTC in der Threading-Aufgabe. Post-hoc-Vergleiche ergaben, dass die Teilnehmer die Strecke, die ihre Geräte während der Aufgabe zurücklegten, zwischen Baseline- und Post-Sitzungen um 3,751 ± 0,357 m und zwischen Post- und Retention-Sitzungen um weitere 1,347 ± 0,268 m reduzieren konnten (alle p < 0,001). Für die Stimulationsbedingung oder das Gerät wurde kein Haupteffekt gefunden, und es wurden auch keine signifikanten Interaktionseffekte gefunden (Abb. 2B) (Ergänzungsdatei 1).

Wenn man die durchschnittliche Geschwindigkeit der Geräte während der Perlenübertragungsaufgabe berücksichtigt, beträgt die Auswirkung von Sitzung (F(1,582, 106,026) = 29,716, p < 0,001, ƞ2 = 0,887), Gerät (F(1, 67) = 33,101, p < 0,001, ƞ2 = 0,331) und die Interaktion zwischen diesen beiden Variablen (F(1,582, 106,026) = 16,509, p < 0,001, ƞ2 = 0,198) waren alle signifikant. Post-hoc-Vergleiche ergaben, dass sich die durchschnittliche Geschwindigkeit des Greifers in der linken Hand zwischen den Sitzungen nicht signifikant unterschied (alle p > 0,126), die Geschwindigkeit des Dissektors in der rechten Hand jedoch zwischen der Baseline- und der Post-Sitzung signifikant zunahm (p < 0,001) und nahm dann zwischen Post- und Retention-Sitzungen ab (p < 0,001), blieb aber höher als die Geschwindigkeit zu Studienbeginn (p < 0,001) (Abb. 3A). Es wurde kein Einfluss der Stimulationsbedingungen auf die Geschwindigkeit während der Perlentransferaufgabe festgestellt.

A und B: Die durchschnittliche (± SE) Geschwindigkeit der linken (grau) und rechten (schwarzen) Geräte während der Durchführung der Perlentransfer- (A) und Einfädelaufgaben (B) in den Baseline-, Post- und Retention-Sitzungen. *Und γ stellen signifikante Unterschiede zu den Baseline- bzw. Post-Sitzungen bei einem Alpha-Wert von 0,05 dar. C & D: Die durchschnittliche (± SE) Anzahl übermäßiger Geschwindigkeitsereignisse beider Geräte während der Durchführung der Perlenübertragungs- (C) und Einfädelaufgaben (D) bei Baseline-, Post- und Retention-Sitzungen durch Teilnehmer, die aktives tDCS (STIM) und erhielten Schein-tDCS (SHAM). ***Stellt signifikante Unterschiede zwischen Neurostimulationsgruppen bei einem Alpha-Wert von 0,001 dar.

Bei der Threading-Aufgabe wurde ein signifikanter Effekt der Sitzung festgestellt (F(1,734, 143,962) = 6,083, p = 0,003, ƞ2 = 0,068), wobei Post-hoc-Vergleiche zeigten, dass die durchschnittliche Geschwindigkeit der Geräte der Teilnehmer während der Post-Sitzung deutlich höher war im Vergleich zu den Baseline-Sitzungen (p = 0,007), jedoch nicht zu den Retention-Sitzungen (p = 0,482) (Abb. 3B).

Bei der Perlenübertragungsaufgabe sind die Haupteffekte der Implementierung (F(1, 67) = 4,449, p = 0,039, ƞ2 = 0,062), der Sitzung (F(2, 134) = 94,522, p < 0,001, ƞ2 = 0,585) und Bedingung (F(1, 67) = 4,618, p = 0,035, ƞ2 = 0,064) waren alle signifikant, ebenso wie die Interaktion zwischen Sitzung und Stimulationsbedingung (F(2, 134) = 4,604, p = 0,012, ƞ2 = 0,064). . Post-hoc-Analysen ergaben, dass die Stimulationsgruppe in der Retention-Sitzung im Vergleich zur Scheingruppe deutlich weniger Ereignisse mit übermäßiger Geschwindigkeit aufwies. Nachdem bestätigt wurde, dass zwischen den Stimulationsbedingungen kein signifikanter Unterschied in der TTC-Ausgangsleistung besteht, ergab die ANCOVA-Analyse, dass nach Kontrolle der Schwankungen der Ausgangsleistung ein signifikanter Haupteffekt der Bedingung festgestellt wurde (F(1, 66) = 6,848, p = 0,011, ƞ2 = 0,094). ), wobei diejenigen in der Stimulationsgruppe die Anzahl übermäßiger Geschwindigkeitsereignisse deutlich um 3,490 ± 1,334 s mehr reduzieren konnten als diejenigen in der Scheingruppe (Abb. 3C).

In der Threading-Aufgabe wurden signifikante Haupteffekte von Sitzung (F(2, 166) = 123,218, p < 0,001, ƞ2 = 0,598) und Implementierung (F(1, 83) = 4,791, p = 0,031, ƞ2 = 0,055) gefunden . Post-hoc-Vergleiche zeigten, dass beim Dissektor in der rechten Hand 1,851 ± 0,846 weniger übermäßige Geschwindigkeitsereignisse festgestellt wurden als beim Greifer in der linken Hand. Darüber hinaus konnten die Teilnehmer die Anzahl übermäßiger Geschwindigkeitsereignisse während der Aufgabenerledigung in allen drei Testsitzungen deutlich reduzieren (alle p = 0,001) (Abb. 3D).

Der Zweck dieser Studie bestand darin, den Einfluss von tDCS auf die durch das Training induzierte Verbesserung und Aufrechterhaltung der laparoskopischen chirurgischen Fähigkeiten zu bewerten. Es wurden zwei häufig verwendete Aufgaben bewertet: eine Perlenübertragungs- und eine Einfädelaufgabe. Die Teilnehmer sowohl der Schein- als auch der Stimulationsgruppe verbesserten ihre Leistung bei beiden Aufgaben deutlich, nachdem sie einem Trainingsprotokoll folgten, das 5 Sitzungen mit einer Dauer von jeweils 20 Minuten (10 Minuten pro Aufgabe) umfasste. Während zwischen den Teilnehmern der Schein- und der Stimulationsgruppe kein signifikanter Unterschied im Grad der Verbesserung bei der Einfädelaufgabe festgestellt wurde, stellten wir fest, dass diejenigen Teilnehmer, die bipolares bihemisphärisches tDCS über die Handregionen von M1 erhielten, sowohl ihre Zeit als auch ihre kinematische Leistung verbesserten Die Messwerte zur Aufgabe des Perlentransfers waren in größerem Maße messbar als diejenigen, die trainierten, während sie eine Scheinstimulation erhielten. Darüber hinaus blieb diese verstärkte Verbesserung, die in der Stimulationsgruppe beobachtet wurde, auch fünf Tage später beim Retentionstest bestehen. Wir diskutieren diese Ergebnisse im Zusammenhang mit durch Training induzierten Verbesserungen der sensorisch-motorischen Fähigkeiten, der Wirkung von tDCS auf die Verbesserung der motorischen Fähigkeiten und den zukünftigen Auswirkungen der Verbesserung chirurgischer Fähigkeiten durch Neuromodulationstechniken auf die Ärzteschaft.

In dieser Studie reduzierten unerfahrene chirurgische Teilnehmer unter beiden Stimulationsbedingungen die Zeit, die zum Abschließen der Aufgabe des Perlentransfers erforderlich war, erheblich, und diese Reduzierung blieb beim Retentionstest fünf Tage nach Abschluss des Post-Tests bestehen. Allerdings zeigte die Gruppe, die Neurostimulation erhielt, im Vergleich zur Scheingruppe eine Verbesserung der Zeit bis zum Abschluss um 5 %. Diese 5 % entsprechen einer um 30 Sekunden schnelleren Zeit für den Abschluss der Perlenübertragungsaufgabe im Vergleich zur Scheingruppe zum Retentionszeitpunkt. Dieser Befund bestätigt die Arbeit von Cox und Kollegen21, die zeigten, dass die zusätzliche Verbesserung von tDCS gegenüber SMA bei einer chirurgischen Stiftübertragungsaufgabe im Vergleich zur Scheinstimulation 3 % beträgt. Darüber hinaus berichteten Friehs und Kollegen29 über eine Verbesserung um 4,5 % gegenüber einem digitalen Stoppsignalspiel, bei dem die Reaktionshemmung gemessen wurde.

Bei der Threading-Aufgabe verbesserten sich beide Gruppen im Verlauf des Trainings von vor bis nach/Retention deutlich, es gab jedoch keinen signifikanten Effekt der Neurostimulation. Die Stimulationsgruppe erledigte die Aufgabe jedoch im Durchschnitt 17 Sekunden schneller als die Scheingruppe. Betrachtet man die Ergebnisse für die zurückgelegte Distanz der Geräte, so reduzierten die Teilnehmer bei beiden Stimulationsbedingungen die Distanz, die ihre Geräte zurücklegten, um die Aufgabe des Perlentransfers abzuschließen, nach fünf Trainingstagen deutlich. Darüber hinaus blieb diese Verringerung beim Retentionstest 5 Tage nach dem Post-Test für die Scheingruppe erhalten, während bei der Stimulationsgruppe weitere Verbesserungen bei der Retention beobachtet wurden. Eine kürzere Wegstrecke der Geräte würde auf ein sichereres und effizienteres laparoskopisches Verfahren hinweisen. Andere Untersuchungen zu chirurgischen Fertigkeiten berichten von einem Rückgang der Fehlerwerte in Verbindung mit schnelleren Abschlusszeiten (siehe 19,21). Bei der Threading-Aufgabe konnten die Teilnehmer die Strecke, die ihre Geräte während der Aufgabe zurücklegten, zwischen Baseline- und Post-Sitzungen sowie zwischen Post- und Retention-Sitzungen reduzieren, die Stimulations- und Scheingruppen unterschieden sich jedoch nicht wesentlich.

Schließlich versuchten wir, die Stabilität oder Sanftheit zu untersuchen, mit der die Teilnehmer die Geräte während der Ausführung beider Aufgaben steuerten, und konnten dies durch Messen der Gerätegeschwindigkeit und Definieren übermäßiger Geschwindigkeitsereignisse erreichen. Bei der Kügelchenübertragungsaufgabe waren die Haupteffekte von Gerät, Sitzung und Kondition sowie die Wechselwirkung zwischen Sitzung und Stimulationsbedingung alle signifikant. Post-hoc-Analysen ergaben, dass die Stimulationsgruppe in der Retention-Sitzung im Vergleich zur Scheingruppe deutlich weniger Ereignisse mit übermäßiger Geschwindigkeit aufwies. Nachdem wir keinen signifikanten Unterschied in der TTC-Ausgangsleistung zwischen den Stimulationsbedingungen bestätigt hatten, zeigten wir, dass nach Kontrolle der Schwankungen der Ausgangsleistung ein signifikanter Haupteffekt der Neurostimulation festgestellt wurde, bei dem diejenigen, die tDCS erhielten, die Anzahl übermäßiger Geschwindigkeitsereignisse deutlich um mehr als reduzieren konnten diejenigen in der Scheingruppe im Verlauf des Trainings (Abb. 3C). Bei der Threading-Aufgabe wurden signifikante Haupteffekte der Sitzung und des Geräts festgestellt, aber auch hier war der Effekt der Neurostimulation nicht signifikant (Abb. 3D).

Die beobachteten Verbesserungen der Stimulationsgruppe im Vergleich zu denen, die eine Scheinstimulation erhielten, entsprechen einer erheblichen Zeitverbesserung, verbunden mit einer kürzeren Instrumentenwegstrecke und einer verbesserten Gerätesteuerung (Zunahme der Bewegungsglätte, beobachtet als Verringerung der EVEs). Diese Reduzierungen ähneln den durch das Training verursachten Verbesserungen bei anderen sensorisch-motorischen und digitalen Aufgaben17,29 sowie beim chirurgischen Training (20,21; Peg-Transfer-Aufgabe30; Musterschneiden). So stellte Toth beispielsweise eine Verbesserung von 6,1–8,9 % für die M1-tDCS-Stimulationsgruppe (Gruppen mit hoher/niedriger Qualifikation) gegenüber einer Scheingruppe für eine Zielerfassungsaufgabe im gleichen Trainingszeitraum (5 Tage × 10 Minuten pro Tag Training) fest × 20 Minuten Stimulation/Schein).

Während die Perlenaufgabe jedoch erfolgreich einen signifikanten positiven Effekt der bipolaren bihemsphärischen M1-Stimulation nachweisen konnte, war dies bei der Einfädelaufgabe nicht der Fall. Derzeit gehen wir davon aus, dass es sich bei der Perlenaufgabe möglicherweise um eine sich stark wiederholende, äußerst konsistente räumlich-zeitliche Aufgabe handelt, die den Auswirkungen der Hirnstimulation während des Trainings möglicherweise eher förderlich ist. Die Einfädelaufgabe ist aus sensomotorischer Sicht komplexer und variabler, da sich die Bewegung und Positionierung der Geräte bei mehreren Versuchen, die Aufgabe zu erledigen, offenbar stärker unterscheiden. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass sich die Gehirnaktivierung mit zunehmender Aufgabenkomplexität auf präfrontale, parietale und temporale Bereiche ausdehnt31,32. Infolgedessen reicht die Neurostimulation der bilateralen M1-Handregionen möglicherweise nicht aus, um die Leistung komplexerer Aufgaben über den in dieser Studie beobachteten Zeitraum zu modulieren. Diese Hypothese steht im Einklang mit bestehenden Arbeiten, die zeigen, dass tDCS bei komplexeren Aufgaben keine Wirkung hat33. Insgesamt könnten künftige Arbeiten darauf abzielen, die Variabilität oder Komplexität verschiedener chirurgischer Aufgaben zu charakterisieren, um optimale Zeiträume besser festzulegen, über die sich die Auswirkungen von tDCS manifestieren können, oder auch die Wirksamkeit von Multisite-Neurostimulationsprotokollen hinsichtlich der Verstärkung der Vorteile von tDCS in größerem Umfang untersuchen Neurostimulation zur Entwicklung und Aufrechterhaltung chirurgischer Fachkenntnisse.

Die Erkenntnisse und Implikationen dieser Forschung können auf verschiedene Forschungsbereiche und reale Situationen angewendet werden. Wenn wir beispielsweise eine neue Aufgabe erlernen, reproduzieren wir, dass die Leistung bei Anfängern erheblich variieren kann34. Das Bewusstsein für dieses Wissen kann bei unerfahrenen Leistungsträgern, die aufgrund ihrer anfänglich hohen Leistungsschwankungen beim Erlernen einer neuen Fertigkeit möglicherweise zu Frustration und verminderter Motivation neigen, Ermutigung und Erleichterung für ihre Belastbarkeit sein. Dieses Wissen kann auch auf bestehende selbstregulierte Lernmodelle bewusster Praxis angewendet werden35. Zweitens können kognitive Strategien wie Mentales Üben (MP)36 und Handlungsbeobachtung (AO)37 angesichts ihrer zuvor nachgewiesenen Wirksamkeit zur Leistungssteigerung eingesetzt werden, da mehr Zeit und Mühe erforderlich sind, um mit zunehmendem Fachwissen spürbare Leistungssteigerungen zu erzielen. Der Einsatz motorischer Simulationsstrategien wie MP und AO kann besonders relevant für das Training chirurgischer Fertigkeiten sein, wo die Auswirkung dieser kognitiven Strategien auf die Leistung noch nicht eingehend untersucht werden muss. Drittens hat unsere Arbeit frühere Untersuchungen bestätigt und gezeigt, dass tDCS für den Kompetenzerwerb bei Anfängern äußerst wirksam ist34. Insgesamt ist tDCS sowohl im Leistungs- als auch im klinischen Kontext eine vielversprechende Technik, und wir ermutigen zukünftige Forschungen, ihren Wert weiter zu untersuchen.

Insgesamt zeigt diese Studie das Ausmaß der Leistungsverbesserung bei zwei laparoskopischen Trainingsfähigkeiten, dem Perlentransfer und dem Einfädeln, bei unerfahrenen chirurgischen Auszubildenden im Verlauf einer Trainingswoche (100 Minuten). Zweitens haben wir gezeigt, dass die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) motorische Leistungsverbesserungen beschleunigen kann und dass die Wirkung von tDCS im untersuchten Trainingszeitraum aufgrund ihrer Einfachheit im Vergleich zur Einfädelaufgabe möglicherweise auf die Perlentransferaufgabe beschränkt war. Diese Arbeit trägt wesentlich zu einer wachsenden Zahl von Forschungsarbeiten bei, die die Auswirkungen der Neurostimulation auf die sensorisch-motorische Leistung untersuchen, und zeigt, dass das laparoskopische Simulationstraining eine fruchtbare Möglichkeit zur Untersuchung des motorischen Lernens und der Auswirkungen der Neurostimulation auf die Entwicklung motorischer Fähigkeiten darstellt.

Jeder Teilnehmer erhielt vor der Teilnahme an der Studie eine Informationsbroschüre zur Studie und gab seine schriftliche Einwilligung nach Aufklärung. Das Experiment wurde von der Ethikkommission für klinische Forschung der Cork Teaching Hospitals am University College Cork sowie der Forschungsethikkommission der University of Limerick gemäß der Deklaration von Helsinki genehmigt.

Alle Tests und Schulungen wurden im chirurgischen Simulationslabor ASSERT am University College Cork durchgeführt. Ein laparoskopischer Fähigkeitsanalysator wurde verwendet, um die Leistung bei chirurgischen Aufgaben zu Studienbeginn, nach dem Training und in Retentionssitzungen zu bewerten (Laparo analytic, Laparo Medical Simulators, Polen). Drei Boxtrainer (identisch mit denen, die an der laparoskopischen Analysestation verwendet werden; Laparo Aspire, Laparo Medical Simulators, Polen) wurden in einem Bereich des Raums für Trainingseinheiten aufgestellt, während in einem anderen Bereich des Raums zwei Stationen für die Neurostimulation vorgesehen waren Bestandteil des Versuchsprotokolls.

Beim Betreten des Simulationslabors am ersten Tag füllten die Teilnehmer einen Fragebogen aus, der Informationen zu ihrem Alter, Geschlecht und der Anzahl der Stunden, die sie angaben, pro Woche durchschnittlich Videospiele zu spielen, erfasste. Ihre Händigkeit wurde anhand der Edinburgh Handedness Scale beurteilt. Teilnehmer wurden ausgeschlossen, wenn sie über eine diagnostizierte neurologische oder neuromuskuläre Störung berichteten oder wenn sie Linkshänder waren (1 ausgeschlossen). Um störende Auswirkungen von Koffein oder anderen neuroaktiven Substanzen abzuschwächen, wurden die Teilnehmer gefragt, ob sie zum Zeitpunkt des Tests Medikamente einnahmen und innerhalb von 4–6 Stunden und 38 Stunden nach der Teilnahme an jeder täglichen Versuchssitzung auf Koffein und Alkohol verzichten sollten, und ein Experimentator zeichnete auf, ob oder Sie hatten nicht jeden Tag Koffein zu sich genommen, als sie im Labor ankamen. Zukünftige Forschungen könnten den Einsatz spezifischer neuroaktiver Substanzen, die sich auf motorische Lernergebnisse auswirken können, expliziter kontrollieren.

Am ersten und letzten Trainingstag füllten die Teilnehmer außerdem den 32-Punkte-Fragebogen Brunel Mood State (BRUMs)39 und den Pittsburgh Sleep Quality Index (PSQI)40 aus, um etwaige Auswirkungen auf die Leistung aufgrund von Stimmungs- bzw. Schlafqualitätsänderungen zu berücksichtigen. Der BRUMs-Fragebogen umfasst 32 verschiedene Stimmungsdeskriptoren und die Teilnehmer wurden gebeten, auf einer Likert-Skala von 1 bis 4 anzugeben, inwieweit jeder Deskriptor ihrer aktuellen Stimmung entsprach. Der PSQI ist ein Fragebogen, der Fragen zum Schlaf eines Teilnehmers im Vormonat stellt. Die Fragen im PSQI wurden für die Teilnehmer an ihrem letzten Trainingstag geändert, um während der Teilnahme an der Studie nach ihrem Schlaf in der Vorwoche zu fragen.

Alle Teilnehmer führten die Baseline- (Tag 1), Post- (Tag 5) und Retention-Tests (Tag 10) mithilfe eines laparoskopischen Fähigkeitsanalysesystems durch. Dieses System ermöglicht die detaillierte Erfassung kinematischer Daten der laparoskopischen Instrumente während der Ausführung der zugewiesenen Aufgaben. Die Teilnehmer wurden anhand ihrer Fähigkeit beurteilt, zwei vordefinierte Schulungsmodule zu absolvieren. Dabei handelte es sich um eine Perlenübertragungsaufgabe (BEAD) und eine Einfädelaufgabe (THREAD). Während der Perlenübertragungsaufgabe mussten die Teilnehmer 22 Perlen aus einem großen zentralen Topf in 6 kleine Töpfe und 4 Pfosten übertragen, indem sie die Perle zunächst mit ihrem linken Instrument fassten, sie auf ihr rechtes Instrument übertrugen und die Perle dann entsprechend platzierten. Die Teilnehmer wurden gebeten, die Aufgabe im Uhrzeigersinn zu lösen. Bei der Einfädelaufgabe mussten die Teilnehmer einen Gummifaden durch eine vordefinierte Strecke bestehend aus 9 Stiften fädeln (Abb. 4). Bei beiden Aufgaben wurden die Teilnehmer angewiesen, die Aufgabe so schnell, genau und reibungslos wie möglich zu erledigen und dabei zu versuchen, den Kontakt mit dem Rahmen beider Aufgaben zu vermeiden.

Perlentransferaufgabe (links) und Einfädelaufgabe (rechts).

Jeder Teilnehmer wurde zum Zeitpunkt seiner Einschreibung für die Dauer der Studie nach dem Zufallsprinzip entweder einer aktiven (n = 26) oder einer Schein- (n = 23) tDCS-Stimulationsgruppe zugeordnet. Alle Teilnehmer waren hinsichtlich der Bedingung, der sie zugewiesen wurden, blind, ebenso wie der Experimentator, der für die Durchführung der Test- und Schulungssitzungen verantwortlich war. Die Teilnehmer beider Neurostimulationsgruppen trugen ein maßgeschneidertes Headset (HALO Neuroscience™), das für die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) an die kortikalen Neuronen des M1-Bereichs konzipiert war, die für die Steuerung der Hand- und Armbewegung verantwortlich sind17. Nasion, Inion und akustische Orientierungspunkte wurden verwendet, um den Scheitelpunkt (Cz) bei jedem Teilnehmer zu lokalisieren, um eine konsistente Positionierung des Headsets sicherzustellen41,42. Die drei mit dem Headset verwendeten Schaumelektroden mit Noppen (24 cm2/Elektrode) wurden mit normaler Kochsalzlösung (0,9 % NaCl) befeuchtet, bevor die Headset-Einheit auf dem Kopf jedes Teilnehmers angebracht wurde, um die Leitfähigkeit zu verbessern.

Teilnehmer der aktiven Neurostimulationsgruppe (STIM) erhielten 2,1 mA bihemisphärische Stimulation (Anode über dem linken M1 und Kathode über dem rechten M1) für eine Dauer von 20 Minuten, während die Teilnehmer der Schein-Neurostimulationsgruppe (SHAM) einen Strom erhielten, der von 0 auf 1 anstieg mA und dann über zwei 30-Sekunden-Intervalle zurück auf 0 mA, bevor es für die folgenden 19 Minuten bei 0 mA verbleibt. Es wurde zuvor gezeigt, dass dieses Scheinstimulationsprotokoll die langfristige Erregbarkeit der zugrunde liegenden kortikalen Neuronen nicht beeinträchtigt43. Die Teilnehmer beider Gruppen lösten während der 20-minütigen SHAM- und STIM-Protokolle unmittelbar vor dem Training eine Kreuzworträtselaufgabe, um das kognitive Engagement der Teilnehmer zu kontrollieren und Unterschiede in der zugrunde liegenden kortikalen Netzwerkaktivität zwischen Neurostimulationsgruppen abzumildern44,45.

Am ersten Tag (Tag 1) füllten die Teilnehmer ihre Fragebögen aus, führten ihre Basisbewertung der Perlenübertragungs- und Einfädelaufgaben auf dem laparoskopischen Fähigkeitsanalysegerät durch, vervollständigten ihr Neurostimulationsprotokoll und führten 20 Minuten laparoskopisches Training im Boxtrainer durch. Während der Test- und Schulungssitzungen wurden die Teilnehmer im Raum nur vom Forschungsteam begleitet. An den Tagen 2, 3 und 4 absolvierten die Teilnehmer einfach das Neurostimulationsprotokoll und absolvierten 20 Minuten laparoskopisches Training im Boxtrainer. Während dieser Schulung erhielten die Teilnehmer vom Experimentator DG standardisierte Anweisungen, die ihnen bei der Durchführung der Perlenübertragungs- und Einfädelaufgaben helfen sollten, und wurden gebeten, die Perlenübertragungs- und Einfädelaufgaben während der Schulungssitzung so oft wie möglich durchzuführen. 10 Minuten Training zum Perlentransfer gingen immer 10 Minuten Training zum Einfädeln voraus. Am fünften Tag erhielten sie nach dem zweiten Ausfüllen der BRUM- und PSQI-Fragebögen das entsprechende Neurostimulationsprotokoll und trainierten ein letztes Mal 20 Minuten lang. Im Anschluss an diese Schulungssitzung führten die Teilnehmer ihre Nachbewertung der Perlenübertragungs- und Einfädelaufgaben auf dem laparoskopischen Fähigkeitsanalysegerät durch. Die Teilnehmer kehrten dann 5 Tage später (Tag 10) ins Labor zurück, um eine abschließende Retentionsbewertung ihrer Perlenübertragungs- und Einfädelaufgabenleistung auf dem laparoskopischen Fähigkeitsanalysator durchzuführen, und wurden gebeten, anzugeben, welcher Stimulationsgruppe sie ihrer Meinung nach zugeordnet worden waren (Manipulationsprüfung). (siehe Abb. 5 für eine Veranschaulichung des Versuchsprotokolls). Während aller drei Testsitzungen wurde die Aufgabe des Perlentransfers immer vor der Aufgabe des Einfädelns durchgeführt. Alle Teilnehmer wurden für ihre verschiedenen Test- und Trainingseinheiten jeden Tag zu ähnlichen Zeiten eingeplant, um jeglichen Einfluss der Tageszeit auf die Test- oder Trainingsleistung zu vermeiden. Teilnehmer, die die Post-Evaluation nicht abgeschlossen oder zwei Schulungssitzungen verpasst hatten, wurden von der Studie ausgeschlossen (drei Teilnehmer wurden auf diese Weise ausgeschlossen). Insgesamt wurden 49 Teilnehmer zur Datenverarbeitung und -analyse vorgezogen.

Illustration des Versuchsprotokolls. Sowohl die Perlenübertragungs- als auch die Einfädelungsaufgaben wurden jeweils maximal 10 Minuten lang nacheinander bei Baseline-, Post- und Retention-Testauswertungen auf dem laparoskopischen Fähigkeitsanalysegerät durchgeführt.

Vier primäre Leistungsmetriken wurden aus jeder der laparoskopischen Baseline-, Post- und Retention-Bewertungen aufgezeichnet. Die Time to Complete (TTC) jeder Aufgabe wurde vom Zeitpunkt des Einsetzens der Instrumente in den laparoskopischen Boxtrainer bis zu dem Zeitpunkt, an dem sie nach Abschluss der Aufgabe entfernt wurden, oder bis zu dem Zeitpunkt, an dem 10 Minuten abgelaufen waren, bestimmt. Die zurückgelegte Distanz beschrieb die Gesamtdistanz, die jedes Gerät zwischen dem Zeitpunkt des Einsetzens und entweder dem Zeitpunkt des Entfernens oder dem Ablauf des 10-Minuten-Zeitlimits zurückgelegt hat. Die durchschnittliche Geschwindigkeit jedes Geräts wurde zwischen Beginn und Ende jeder Aufgabe aufgezeichnet, ebenso wie die Anzahl der Ereignisse mit übermäßiger Geschwindigkeit, berechnet als Anzahl der Fälle, in denen die momentane Geschwindigkeit eines Geräts zwei Standardabweichungen der Durchschnittsgeschwindigkeit überschritt.

Alle statistischen Analysen wurden mit der Statistiksoftware SPSS v25 durchgeführt. Die Datennormalität wurde durch Shapiro-Wilk-Analyse und Beobachtung von Q-Q-Diagrammen und Histogrammen verifiziert. Für alle Metriken, bei denen die Datenreste nicht normalverteilt waren, wurden vor der Durchführung parametrischer Analysen abweichende Daten über das 1,5-fache des Interquartilbereichs hinaus ausgeschlossen. Es wurden unabhängige T-Tests durchgeführt, um zu bewerten, wo sich die Daten für eine unserer Kennzahlen zwischen Männern und Frauen unterschieden. Wo Mauchlys Sphärizitätstests anzeigten, dass die Varianz zwischen den Gruppen deutlich heterogen war, wurden bei der Durchführung von ANOVAs und ANCOVAs Alpha-Korrekturen nach Greenhouse-Geisser angewendet. Dreifach-ANOVAs (Sitzung x Bedingung x Gerät) wurden durchgeführt, um zu testen, ob die Leistung zwischen Sitzungen, zwischen Stimulationsbedingungen oder zwischen Geräten unterschiedlich war. Wo ein Haupteffekt der Bedingung oder Interaktion zwischen Sitzung und Bedingung festgestellt wurde, wurden 3-Wege-ANCOVAs durchgeführt, wobei die Basiswerte kontrolliert wurden, um festzustellen, ob eine signifikante Auswirkung der Sitzung (Post und Retention), der Stimulationsbedingung, des Geräts oder der Interaktion dazwischen besteht diese Variablen existierten.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Daniel Galvin und Adam J. Toth.

ASSERT Centre, College of Medicine and Health, University College Cork, Cork, Irland

Daniel Galvin, Barry O'Reilly und Ray O'Sullivan

Lero, The Science Foundation Ireland Research Centre for Software, University of Limerick, Limerick, Irland

Adam J. Toth und Mark J. Campbell

Abteilung für Leibeserziehung und Sportwissenschaften, Universität Limerick, Limerick, Irland

Adam J. Toth und Mark J. Campbell

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DG: Studiendesign, Datenerfassung, Datenverarbeitung, Manuskripterstellung und -bearbeitung. AT: Studiendesign, Datenerfassung, Datenverarbeitung, Datenanalyse, Verfassen und Bearbeiten von Manuskripten. BO: Studienfinanzierung, Manuskriptbearbeitung. RO: Manuskriptbearbeitung. MC: Studiendesign, Datenerfassung, Manuskripterstellung und -bearbeitung, Studienfinanzierung.

Korrespondenz mit Adam J. Toth.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Galvin, D., Toth, AJ, O'Reilly, B. et al. Die transkranielle Gleichstromstimulation M1 verbessert den Erwerb laparoskopischer chirurgischer Fähigkeiten. Sci Rep 13, 13731 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40440-x

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Eingegangen: 07. Dezember 2022

Angenommen: 10. August 2023

Veröffentlicht: 23. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40440-x

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