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

Probleemstelling
Individuen met amputaties van de onderste extremiteiten lijden aan functionele tekortkomingen, waaronder balans- en loopstoornissen, als gevolg van het verlies van somatosensorische feedback van hun protheses. Hoewel neuroprothetische vooruitgang door middel van elektrische stimulatie van de resterende zenuwen of het ruggenmerg deze sensaties kan herstellen, zijn deze geëvoqueerde sensaties vaak niet-intuïtief (bijv. een paresthetisch tintelend gevoel in plaats van natuurlijke aanraking). Om de effectiviteit van deze apparaten te maximalen, moeten de herstelde sensaties intuïtief zijn en naadloos worden geïntegreerd in het sensorimotorische netwerk. Het kwantificeren van de "intuïtiviteit" van deze geëvoqueerde sensaties vormt echter een aanzienlijke uitdaging. Huidig onderzoek leunt zwaar op subjectieve beoordelingen van "natuurlijkheid", die zeer variabel zijn en niet noodzakelijkerwijs reflecteren hoe goed een sensatie integreert met de perceptuele paden die de motorische prestaties aansturen. Hoewel de Crossmodal Congruency Effect (CCE) taak is voorgesteld als een objectieve metriek voor multisensorische integratie bij amputaties van de bovenste extremiteiten, is de haalbaarheid en validiteit ervan voor het beoordelen van sensorische feedback in de onderste extremiteit nog niet vastgesteld.

Methodologie
Deze studie had tot doel de CCE-taak te valideren als een maatstaf voor de intuïtiviteit van sensorische feedback in de onderste extremiteit, gebruikmakend van vijftien gezonde proefpersonen. Het experimentele ontwerp vergeleken twee sensorische modaliteiten:

1. Pneumatische Tactiele Stimulatie: Geleverd via een Galileo-systeem, waarbij langzaam adapterende type 1, snel adapterende en PC-vezels werden gerekruteerd om natuurlijke huidindruk en drukveranderingen na te bootsen.
2. Elektrische Stimulatie: Geleverd via een DS8R-stimulator, waarbij gelijktijdig grote populaties afferente vezels werden gerekruteerd.

De stimuli werden toegepast op twee anatomische locaties: de knie (midden van de dij) en de voet (dorsum pedis). Om geldige vergelijkingen te waarborgen, implementeerde de studie verschillende controlemiddelen:

• Intensiteitsmatching: De amplitudes van de elektrische stimulatie werden voor elke deelnemer en locatie aangepast totdat de waargenomen intensiteit overeenkwam met de vaste pneumatische stimulus.
• Visuele Reactietijdcontrole: Een voorlopige test bevestigde dat de visuele reactietijden niet significant werden beïnvloed door de variërende afstanden naar de LED's bij de knie en de voet.
• Synchronisatie: Hardware-vertragingen werden gemeten en gecompenseerd om ervoor te zorgen dat de doelstimulus (somatosensorisch) en de distractor (visueel) gesynchroniseerd waren binnen <1ms.

De CCE-taak: Deelnemers voerden een taak met snelle respons uit waarbij zij de locatie van een somatosensorische doelstimulus (knie of voet) verbaal identificeerden, terwijl zij een gelijktijdige visuele distractor (LED) negeerden.

• Congruente Trials: De doelstimulus en de distractor verschenen op dezelfde locatie.
• Incongruente Trials: De doelstimulus en de distractor verschenen op verschillende locaties.
• Metrieken: De primaire uitkomst was de Crossmodal Congruency Reaction Time ($CCERT$), gedefinieerd als het verschil in reactietijd tussen incongruente en congruente trials. Een hogere $CCERT$ duidt op een grotere multisensorische integratie (en dus, theoretisch, een grotere intuïtiviteit). Secundaire metrieken omvatten foutpercentages ($CCE_{Error}$) en EEG-bandvermogensanalyse (Delta- en Theta-banden) in de pariëtale regio.

Belangrijkste Resultaten

• Differentiatie van Modaliteiten: De CCE-taak slaagde erin om onderscheid te maken tussen pneumatische en elektrische stimuli bij de knie. Specifiek vertoonden 14 van de 15 deelnemers een hogere $CCERT$ voor pneumatische stimuli vergeleken met elektrische stimuli, wat de hypothese ondersteunt dat pneumatische stimuli intuïtiever worden geïntegreerd.
• Locatieafhankelijkheid: Deze differentiatie werd niet waargenomen bij de voet. De resultaten bij de voet waren inconsistent, waarbij slechts 3 deelnemers een hogere $CCERT$ voor pneumatische stimuli lieten zien en 5 het tegenovergestelde patroon vertoonden.
• Individuele Variabiliteit: Significante CCE-scores waren aanwezig bij slechts 67% van de deelnemers in totaal. Het effect was niet consistent over beide stimulusmodaliteiten voor dezelfde persoon, wat wijst op een hoge inter-subject variabiliteit.
• Correlatie met Natuurlijkheid: Er was geen significante correlatie tussen de $CCERT$-scores en de subjectieve beoordelingen van natuurlijkheid. Dit geeft aan dat de CCE-score geen directe proxy is voor de waargenomen natuurlijkheid.
• EEG-bevindingen: De EEG-analyse toonde variabiliteit in corticale biomarkers aan. Hoewel incongruente trials een hogere pariëtale kracht vertoonden in de Delta- en Theta-banden bij de knie (consistent met eerdere literatuur), vertoonde de voet het tegenovergestelde patroon, hoewel deze verschillen niet statistisch significant waren over de gehele groep.
• Vermoeidheid en Reactietijd: Er werd geen significante correlatie gevonden tussen vermoeidheidsniveaus of de variabiliteit in de baseline reactietijd en de $CCERT$-scores.

Betekenis en Claims
Het artikel concludeert dat hoewel de CCE-taak veelbelovend is als maatstaf voor multisensorische integratie in de onderste extremiteit, de toepassing ervan momenteel wordt beperkt door locatie-specifieke inconsistenties en een gebrek aan correlatie met de subjectieve natuurlijkheid.

• Bescheiden Validatie: De studie valideert het CCE-paradigma voor de knie, maar benadrukt dat dit niet generaliseert naar de voet onder de huidige experimentele omstandigheden.
• Beperkingen van de Metriek: De auteurs stellen dat de CCE-score niet simpelweg een proxy is voor "natuurlijkheid"-beoordelingen, aangezien de twee maten niet correleerden.
• Individueel versus Groepsanalyse: De studie benadrukt dat voor neuroprothetische toepassingen analyse op individueel niveau cruciaal is, aangezien gemiddelden op groepsniveau kunnen maskeren dat het CCE-effect bij een aanzienlijk deel van de individuen afwezig is.
• Toekomstige Vereisten: De auteurs stellen dat voordat de CCE-taak kan worden geïmplementeerd om de intuïtiviteit bij amputanten van de onderste extremiteit te meten, externe factoren die de CCE beïnvloeden (zoals de ruimtelijke afstand tussen doel en distractor, verschillen in ruimtelijke accuraatheid tussen lichaamsregio's en mechanismen van responsconflict) beter begrepen en gecontroleerd moeten worden. Het artikel claimt niet dat de CCE de definitieve oplossing is, maar eerder een instrument dat verdere ontwikkeling en validatie vereist voor gebruik bij de onderste extremiteit.