Beyond Performance Scores: Directed Functional Connectivity as a Brain-Based Biomarker for Motor Skill Learning and Retention

要約

手術、ロボット工学、スポーツなどの分野での運動スキルの習得には、広範なトレーニングを通じて複雑なタスクシーケンスを学習することが含まれます。
実行時間やエラー率などの従来のパフォーマンスメトリックは、スキル学習と保持の根底にあるニューラルメカニズムをキャプチャできないため、限られた洞察を提供します。
この研究では、運動能力学習と保持を評価するための新しい脳ベースのバイオマーカーとして、脳波（EEG）に由来する方向性機能接続（DFC）を紹介します。
初めて、DFCはバイオマーカーとして適用され、FITTSおよびPOSNERモーター学習モデルの段階をマッピングし、スキルの習得と保持の根底にある神経メカニズムに関する新しい洞察を提供します。
従来の尺度とは異なり、神経情報の流れの強度と方向の両方を捉え、異なる学習段階で神経適応を包括的に理解することを提供します。
分析は、DFCがFittsおよびPosnerモデルのさまざまな段階を介して進行を効果的に特定して追跡できることを示しています。
さらに、6週間のウォッシュアウト期間にわたる安定性は、長期保持の監視における有用性を強調しています。
対照群ではDFCの有意な変化は観察されず、観察された神経適応がトレーニングに固有であり、外部要因によるものではないことを確認しました。
グループおよび個々のレベルでの学習プロセスの詳細なビューを提供することにより、DFCは、外科教育など、精度と長期の保持が重要な分野の結果を高めることを目的としたパーソナライズされたターゲットトレーニングプロトコルの開発を促進します。
これらの調査結果は、従来のパフォーマンスメトリックを補完する堅牢なバイオマーカーとしてDFCの価値を強調し、運動能力の学習と保持をより深く理解することを提供します。

要約(オリジナル)

Motor skill acquisition in fields like surgery, robotics, and sports involves learning complex task sequences through extensive training. Traditional performance metrics, like execution time and error rates, offer limited insight as they fail to capture the neural mechanisms underlying skill learning and retention. This study introduces directed functional connectivity (dFC), derived from electroencephalography (EEG), as a novel brain-based biomarker for assessing motor skill learning and retention. For the first time, dFC is applied as a biomarker to map the stages of the Fitts and Posner motor learning model, offering new insights into the neural mechanisms underlying skill acquisition and retention. Unlike traditional measures, it captures both the strength and direction of neural information flow, providing a comprehensive understanding of neural adaptations across different learning stages. The analysis demonstrates that dFC can effectively identify and track the progression through various stages of the Fitts and Posner model. Furthermore, its stability over a six-week washout period highlights its utility in monitoring long-term retention. No significant changes in dFC were observed in a control group, confirming that the observed neural adaptations were specific to training and not due to external factors. By offering a granular view of the learning process at the group and individual levels, dFC facilitates the development of personalized, targeted training protocols aimed at enhancing outcomes in fields where precision and long-term retention are critical, such as surgical education. These findings underscore the value of dFC as a robust biomarker that complements traditional performance metrics, providing a deeper understanding of motor skill learning and retention.

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