Engaging the brain through FES: assessing cognitive load and attention on the FES-Trike

The ability to sustain cognitive engagement during motor activity is crucial for effective neurorehabilitation after neurological injury. While Functional Electrical Stimulation (FES) is widely used to promote motor recovery, its impact on cortical activity and cognitive processes remains unclear. This exploratory single-subject study investigated whether FES modulates brain dynamics during movement and established a methodological framework for future research. A hybrid FES-cycling paradigm was developed on a custom recumbent trike, combining voluntary and motor-assisted pedaling while the participant performed an auditory oddball task probing attentional processing. Strong electromechanical artifacts synchronized with the pedaling cycle (up to 300 µV) hindered EEG interpretation. To address this, a novel General Linear Model (GLM) based pipeline was implemented, using crank kinematics as regressors to selectively remove deterministic artifacts and recover physiological EEG activity. Analyses focused on the P300 component, reflecting transient attention, and on the frontal Theta parieto-occipital Alpha Ratio (TAR), indicative of sustained engagement. P300 amplitude tended to decrease with increasing motor effort, suggesting a shift of attentional resources toward motor control. FES, whether applied during voluntary or passive cycling, did not significantly affect P300 or TAR, implying limited modulation of cortical or cognitive processes. A mild increase in cortical activation was observed in some passive FES sessions, but results remained variable and cautious interpretation was required due to the participant’s high familiarity with stimulation. Overall, the study demonstrated the feasibility of integrating FES and EEG during dynamic movement and validated the GLM-based correction method. Findings highlight that cortical engagement is mainly driven by volitional effort, while FES exerts minimal or inconsistent modulation, warranting further multi-subject and clinical investigations.

La capacità di mantenere un adeguato coinvolgimento cognitivo durante l’attività motoria è cruciale per un’efficace riabilitazione dopo una lesione neurologica. Sebbene la Stimolazione Elettrica Funzionale (FES) sia ampiamente utilizzata per favorire il recupero motorio, il suo impatto sull’attività corticale e sui processi cognitivi rimane poco chiaro. Questo studio esplorativo su singolo soggetto ha indagato se la SEF moduli le dinamiche cerebrali durante il movimento e ha stabilito un quadro metodologico per future ricerche. È stato sviluppato un paradigma ibrido di pedalata FES-cycling su un triciclo reclinato personalizzato, combinando pedalata volontaria e assistita dal motore, mentre il partecipante eseguiva un compito uditivo di tipo oddball per valutare l’elaborazione attentiva. Forti artefatti elettromeccanici sincronizzati con il ciclo di pedalata (fino a 300 µV) hanno ostacolato l’interpretazione dei segnali EEG. Per affrontare questo problema, è stata implementata una nuova pipeline basata sul Modello Lineare Generale (GLM), utilizzando la cinematica della pedivella come regressore per rimuovere selettivamente gli artefatti deterministici e recuperare l’attività EEG fisiologica. Le analisi si sono concentrate sulla componente P300, che riflette l’attenzione transiente e sul rapporto Theta frontale–Alpha parieto-occipitale (TAR), indicativo di un coinvolgimento sostenuto. L’ampiezza della P300 tendeva a diminuire con l’aumentare dello sforzo motorio, suggerendo uno spostamento delle risorse attentive verso il controllo del movimento. La FES, applicata sia durante la pedalata volontaria sia passiva, non ha influenzato in modo significativo né la P300 né il TAR, indicando una modulazione limitata dei processi corticali o cognitivi. Un lieve aumento dell’attivazione corticale è stato osservato in alcune sessioni di pedalata passiva con FES, ma i risultati sono rimasti variabili e hanno richiesto un’interpretazione cauta a causa dell’elevata familiarità del partecipante con la stimolazione. Complessivamente, lo studio ha dimostrato la fattibilità di integrare FES ed EEG durante il movimento dinamico e ha validato il metodo di correzione basato su GLM. I risultati evidenziano che il coinvolgimento corticale è principalmente guidato dallo sforzo volontario, mentre la FES esercita una modulazione minima o incoerente, richiedendo ulteriori indagini su più soggetti e in contesti clinici.