The crossmodal congruency task as a measure of intuitiveness of sensory feedback in the lower limb

Problemstellung
Personen mit Amputationen der unteren Extremitäten leiden unter funktionellen Defiziten, einschließlich Gleichgewichts- und Gangstörungen, die durch den Verlust des somatosensorischen Feedbacks von ihren Prothesen verursacht werden. Während Fortschritte in der Neuroprothetik durch elektrische Stimulation der verbleibenden Nerven oder des Rückenmarks dazu beitragen können, Empfindungen wiederherzustellen, sind diese evozierten Empfindungen oft nicht intuitiv (z. B. parästhetisches Summen statt natürlicher Berührung). Um die Wirksamkeit dieser Geräte zu maximieren, müssen die wiederhergestellten Empfindungen intuitiv sein und sich nahtlos in das sensorimotorische Netzwerk integrieren lassen. Die Quantifizierung der „Intuitivität“ dieser evozierten Empfindungen bleibt jedoch eine erhebliche Herausforderung. Die aktuelle Forschung stützt sich stark auf subjektive Bewertungen der „Natürlichkeit“, die hochgradig variabel sind und nicht zwangsläufig widerspiegeln, wie gut eine Empfindung mit den die motorische Leistung steuernden Wahrnehmungswegen integriert ist. Obwohl die Crossmodal Congruency Effect (CCE)-Aufgabe als objektives Maß für die multisensorische Integration bei Amputierten der oberen Extremitäten vorgeschlagen wurde, wurde ihre Durchführbarkeit und Validität zur Bewertung des sensorischen Feedbacks der unteren Extremität noch nicht etabliert.

Methodik
Diese Studie zielte darauf ab, die CCE-Aufgabe als Maß für die Intuitivität des sensorischen Feedbacks der unteren Extremität unter Verwendung von fünfzehn gesunden Probanden zu validieren. Das experimentelle Design verglich zwei sensorische Modalitäten:

1. Pneumatische taktile Stimulation: Geliefert über ein Galileo-System, das langsam adaptierende Typ-1-, schnell adaptierende sowie PC-Fasern rekrutiert, um natürliche Hautindentation und Druckveränderungen zu imitieren.
2. Elektrische Stimulation: Geliefert über einen DS8R-Stimulator, der gleichzeitig große Populationen von afferenten Fasern rekrutiert.

Die Stimuli wurden an zwei anatomischen Lokalisationen appliziert: dem Knie (Mitte des Oberschenkels) und dem Fuß (Fußrücken). Um valide Vergleiche zu gewährleisten, implementierte die Studie mehrere Kontrollmaßnahmen:

• Intensitätsanpassung: Die Amplituden der elektrischen Stimulation wurden für jeden Teilnehmer und jede Lokalisation so angepasst, dass die wahrgenommene Intensität der fixen pneumatischen Stimulation entsprach.
• Visuelle Reaktionszeitkontrolle: Ein Vorabtest bestätigte, dass die visuellen Reaktionszeiten durch die variierenden Abstände zu den LEDs am Knie und Fuß nicht signifikant beeinflusst wurden.
• Synchronisation: Hardware-Verzögerungen wurden gemessen und kompensiert, um sicherzustellen, dass das Zielstimulus (somatosensorisch) und das Distraktorstimulus (visuell) innerhalb von <1 ms synchronisiert waren.

Die CCE-Aufgabe: Die Teilnehmer führten eine geschwindigkeitsbasierte Antwortaufgabe durch, bei der sie den Ort eines somatosensorischen Zielreizes (Knie oder Fuß) verbal identifizierten, während sie einen gleichzeitigen visuellen Distraktor (LED) ignorierten.

• Kongruente Durchgänge: Zielreiz und Distraktor erschienen am selben Ort.
• Inkongruente Durchgänge: Zielreiz und Distraktor erschienen an unterschiedlichen Orten.
• Metriken: Das primäre Ergebnis war die kreuzmodale Kongruenz-Reaktionszeit ($CCERT$), definiert als die Differenz der Reaktionszeit zwischen inkongruenten und kongruenten Durchgängen. Ein höheres $CCERT$ deutet auf eine größere multisensorische Integration hin (und damit theoretisch auf eine größere Intuitivität). Sekundäre Metriken umfassten Fehlerraten ($CCE_{Error}$) und die EEG-Bandleistung (Delta- und Theta-Bänder) in der Parietalregion.

Wichtigste Ergebnisse

• Differenzierung der Modalitäten: Die CCE-Aufgabe konnte erfolgreich zwischen pneumatischen und elektrischen Stimuli am Knie differenzieren. Speziell zeigten 14 von 15 Teilnehmern ein höheres $CCERT$ für pneumatische Stimuli im Vergleich zu elektrischen Stimuli, was die Hypothese stützt, dass pneumatische Stimuli intuitiver integriert werden.
• Lokalisationsabhängigkeit: Diese Differenzierung wurde am Fuß nicht beobachtet. Die Ergebnisse am Fuß waren inkonsistent, wobei nur 3 Teilnehmer höhere $CCERT$-Werte für pneumatische Stimuli zeigten und 5 den umgekehrten Trend aufwiesen.
• Individuelle Variabilität: Signifikante CCE-Scores waren insgesamt nur bei 67 % der Teilnehmer vorhanden. Der Effekt war nicht konsistent über beide Stimulusmodalitäten für dieselbe Person, was auf eine hohe interindividuelle Variabilität hindeutet.
• Korrelation mit Natürlichkeit: Es gab keine signifikante Korrelation zwischen den $CCERT$-Scores und den subjektiven Natürlichkeitsbewertungen. Dies deutet darauf hin, dass der CCE-Score kein direkter Stellvertreter für die wahrgengenommene Natürlichkeit ist.
• EEG-Befunde: Die EEG-Analyse zeigte eine Variabilität in den kortikalen Biomarkern. Während inkongruente Durchgänge eine höhere parietale Leistung in den Delta- und Theta-Bändern am Knie zeigten (konsistent mit der vorangegangenen Literatur), zeigte der Fuß das gegenteilige Muster, wenngleich diese Unterschiede über die Gruppe hinweg statistisch nicht signifikant waren.
• Ermüdung und Reaktionszeit: Es wurde kein signifikanter Zusammenhang zwischen Ermüdungsgrad oder der Variabilität der Basis-Reaktionszeit und den $CCERT$-Scores gefunden.

Bedeutung und Ansprüche
Die Arbeit kommt zu dem Schluss, dass die CCE-Aufgabe zwar als Maß für die multisensorische Integration der unteren Extremität vielversprechend ist, ihre Anwendung jedoch derzeit durch lokalisationsspezifische Inkonsistenzen und eine mangelnde Korrelation mit der subjektiven Natürlichkeit begrenzt ist.

• Moderate Validierung: Die Studie validiert das CCE-Paradigma für das Knie, hebt jedoch hervor, dass es unter den aktuellen experimentellen Bedingungen nicht auf den Fuß generalisiert werden kann.
• Metrik-Limitierungen: Die Autoren behaupten, dass der CCE-Score nicht einfach ein Stellvertreter für „Natürlichkeits“-Bewertungen ist, da die beiden Maße nicht korrelierten.
• Individuelle vs. Gruppenanalyse: Die Studie betont, dass für neuroprothetische Anwendungen eine Analyse auf individueller Ebene entscheidend ist, da Gruppenmittelwerte verschleiern können, dass der CCC-Effekt bei einem signifikanten Teil der Individuen fehlt.
• Zukünftige Anforderungen: Die Autoren stellen fest, dass vor der Implementierung der CCE-Aufgabe zur Messung der Intuitivität bei Amputierten der unteren Extremität externe Faktoren, die den CCE beeinflussen (wie z. B. der räumliche Abstand zwischen Zielreiz und Distraktor, Unterschiede in der räumlichen Akuität verschiedener Körperregionen und Mechanismen des Antwortkonflikts), besser verstanden und kontrolliert werden müssen. Die Arbeit beansprucht nicht, dass der CCE die definitive Lösung ist, sondern ein Werkzeug, das weiterer Entwicklung und Validierung für die Anwendung an der unteren Extremität bedarf.