Diffusion Tensor Imaging (DTI) is a magnetic resonance imaging (MRI)-based technique that has frequently been used for the identification of brain biomarkers of neurodevelopmental and neurodegenerative disorders because of its ability to assess the structural organization of brain tissue. In this work, I present (1) preclinical findings of a longitudinal DTI study that investigated asymptomatic high school football athletes who experienced repetitive head impact and (2) an automated pipeline for assessing the quality of DTI images that uses a convolutional neural network (CNN) and transfer learning. The first section addresses the effects of repetitive subconcussive head trauma on the white matter of adolescent brains. Significant concerns exist regarding sub-concussive injury in football since many studies have reported that repetitive blows to the head may change the microstructure of white matter. This is more problematic in youth-aged athletes whose white matter is still developing. Using DTI and head impact monitoring sensors, regions of significantly altered white matter were identified and within-season effects of impact exposure were characterized by identifying the volume of regions showing significant changes for each individual. The second section presents a novel pipeline for DTI quality control (QC). The complex nature and long acquisition time associated with DTI make it susceptible to artifacts that often result in inferior diagnostic image quality. We propose an automated QC algorithm based on a deep convolutional neural network (DCNN). Adaptation of transfer learning makes it possible to train a DCNN with a relatively small dataset in a short time. The QA algorithm detects not only motion- or gradient-related artifacts, but also various erroneous acquisitions, including images with regional signal loss or those that have been incorrectly imaged or reconstructed.

Introdução: Indivíduos vítimas de traumatismo cranioencefálico (TCE) frequentemente apresentam sintomas pós-concussionais, que são manifestações somáticas, cognitivas, sensório-perceptivas, emocionais ou comportamentais. A síndrome pós-concussional (SPC) é caracterizada pela presença de três ou mais sintomas pós-concussionais, por período mínimo de três meses ou mais. Cerca de 30% dos pacientes que apresentam TCE leve e moderado desenvolvem a SPC. No Brasil, não existem instrumentos disponíveis para avaliar os sintomas pós-concussionais e diagnosticar a SPC. Objetivos: Este estudo teve como objetivo disponibilizar uma versão do Rivermead Post Concussion Symptoms Questionnaire e do Neurobehavioral Symptom Inventory para a cultura brasileira e avaliar suas propriedades psicométricas quando aplicados em pacientes que tiveram TCE leve ou moderado. Método: O processo de adaptação transcultural foi realizado de acordo com as etapas propostas na literatura: tradução, síntese das traduções, retrotradução, comitê de especialistas e pré-teste. As análises psicométricas compreenderam a avaliação da confiabilidade e validade. Uma amostra de 276 indivíduos de 19 a 87 anos, de ambos os sexos, que tiveram TCE leve ou moderado, respondeu os seguintes instrumentos: caracterização sociodemográfica e clínica, as versões brasileiras do Rivermead Post Concussion Symptoms Questionnaire (RPQ-Br) e do Neurobehavioral Symptom Inventory (NSI-Br), o Inventário de Depressão de Beck I (BDI I) e o questionário de qualidade de vida WHOQOL-bref. A confiabilidade foi verificada por meio da consistência interna, utilizando-se o alfa de Cronbach. A validade de conteúdo foi avaliada pelo grau de concordância nos comitês de especialistas, utilizando-se o Índice de validade de conteúdo e o Coeficiente de validade de conteúdo. Foi verificado a validade convergente por meio da análise de correlação dos escores dos instrumentos validados com o escore do BDI I e o WHOQOL-bref. A validade de constructo foi verificada por meio da realização da análise fatorial exploratória e semi-confirmatória. Resultados: As versões adaptadas apresentaram evidências de equivalências semântico-idiomáticas, culturais e conceituais, com elevada aceitabilidade. Os achados evidenciaram um coeficiente de alfa de Cronbach de 0,918 para o RPQ-Br e de 0,966 para o NSI-Br. Foram constatadas correlações significativas de moderada a muito forte entre os escores dos instrumentos adaptados na avaliação de sintomas depressivos e qualidade de vida. A análise fatorial exploratória demonstrou que a estrutura de fatores é diferentes do que foi encontrado nos instrumentos originais. Os instrumentos RPQ-Br e NSI-Br apresentaram estruturas compostas por dois e três fatores respectivamente, com saturações significativas ( > 0,40) e explicando respectivamente 56,5% e 65,3% da variância total do constructo. Os resultados relativos ao ajuste do modelo foram, de forma geral, satisfatórios (RPQ-Br: Goodness of Fit Index(GFI)=0,968, Adjusted for degree of Freedom(AGFI)=0,957, Root mean square error of aproximation(RMSEA) < 0,05, Bentler\'s Comparative Fit Index(CFI)=0,974; NSI-Br: GFI=0,992, AFGI=0,989, RMSEA < 0,05, CFI=1,016). Conclusão: As versões brasileiras do Questionário Rivermead de sintomas pós-concussionais e o Inventário de sintomas neuropsiquiátricos foram adaptados transculturalmente para o português brasileiro, apresentando medidas psicométricas confiáveis e válidas / Introduction: After a traumatic brain injury (TBI) post-concussion symptoms (somatic, cognitives, emotional or behavioral) are commonly reported by patients. Post-Concussion Syndrome (PCS) is the term to describe the presence of three or more post-concussion symptoms for periods of minimum three months. Around 30% of patients with mild and moderate TBI have persistent symptoms. Currently, there is no instrument that has been created, adapted or validated for the Brazilian context that evaluates post-concussion symptoms. Objective: This study aimed to tcross culturally, and assess the psychometrics properties of the Brazilian versions of Rivermead Post Concussion Symptoms Questionnaire and Neurobehavioral Symptom Inventory in patients post mild and moderate TBI. Method: The cross-cultural adaptation consisted of the following steps: translation, synthesis of translations, back translation, expert committee, pre-test. The analysis of psychometric properties were reliability and validity. A sample of 276 patients, between 19 to 87 years, from both sexes, who suffered mild or moderate TBI, answered the following instruments: sociodemographic and clinical instrument, the Brazilian version of the Rivermead Post Concussion Symptoms Questionnaire (RPQ-Br) and the Neurobehavioral Symptom Inventory (NSI-Br), Beck Depression Inventory (BDI I) and the World Health Organization\'s quality of life questionnaire WHOQOL-bref. The reliability was verified through internal consistency, using the Cronbach\'s alpha. The content validity was evaluated by the degree of agreement of the expert committee using the Content Validity Index, and the Content Validity Coefficient. The convergent validity was verified using the analysis of scores of the translated instruments with BDI I and WHOQOL-bref score. The construct validity was verified using the exploratory factor analysis and semi-confirmatory factor analysis. Results: The brazilian versions presented evidences of semantic-idiomatic, cultural and conceptual equivalences, with high acceptability. The results showed a Cronbach\'s alpha coefficient of 0.918 (RPQ-Br) and 0.966 (NSI-Br). There were a significant moderate to very strong correlations between the scores of the adapted instruments with the evaluation of depressive symptoms and quality of life. The factor analysis showed structure of factors different from the original instruments versions. The RPQ-Br and NSI-Br instruments had structures composed of two and three factors, respectively, with significant saturations ( > 0.40) and explaining respectively 56.5% and 65.3% of the total construct variance. The results regarding the fit of the model were generally satisfactory (RPQ-Br: Goodness of Fit Index(GFI)=0.968, Adjusted for degree of Freedom(AGFI)=0.957, Root mean square error of aproximation(RMSEA) < 0,05, Bentler\'s Comparative Fit Index(CFI)=0.974; NSI-Br: GFI=0.992, AFGI=0.989, RMSEA < 0.05, CFI=1.016). Conclusion: The cross-cultural adaptation was successfully performed and the Brazilian versions of the Rivermead Post Concussion Symptoms Questionnaire and the Neurobehavioral Symptom Inventory presented reliable and valid psychometric measures for use in the Brazilian culture

Questions : Cette thèse visait à répondre à deux questions fondamentales : 1) Est-ce que les athlètes qui présentent un historique de commotions cérébrales du sport en conservent des effets délétères à long terme? ; et 2) Est-ce que les effets néfastes des commotions cérébrales récurrentes sur le fonctionnement tant cognitif que moteur sont cumulatifs? Devis expérimental : À l’aide d’un plan d’investigation double-cohorte réalisé avec un groupe d’athlètes évoluant au niveau universitaire et un autre formé d’anciens athlètes universitaires testés plus de trois décennies plus tard, les quatre études qui composent cette thèse ont employé des méthodes raffinées d’investigation des fonctions cognitives et motrices pour en déceler des atteintes persistantes. Méthodologie : Les potentiels évoqués cognitifs ainsi que les tests neuropsychologiques ont permis de sonder le fonctionnement cognitif de ces athlètes alors que la stimulation magnétique transcrânienne, une plateforme de force permettant de mesurer la stabilité posturale ainsi qu’un système d’enregistrement tridimensionnel des mouvements rapides alternatifs ont servi à l’évaluation de l’intégrité du système moteur. Résultats : Cette thèse a permis de déceler des altérations persistentes et cumulatives des fonctions cognitives et motrices. De plus, ces subtiles atteintes observées chez les jeunes athlètes, affectant essentiellement des marqueurs neurophysiologiques sous-cliniques du fonctionnement cognitif et moteur, s’étaient accentuées chez les anciens athlètes universitaires qui montraient un déclin quantifiable tant des fonctions cognitives que motrices. Discussion : Ces résultats suggèrent d’une part que les commotions cérébrales du sport entraînent des altérations cognitives et motrices chroniques qui s’accentuent en fonction du nombre de commotions cérébrales subies. D’autre part, les effets délétères des commotions cérébrales du sport sur le fonctionnement cognitif et moteur combinés à ceux associés au processus de vieillissement entraînent un déclin cognitif et moteur quantifiable en comparaison aux anciens athlètes n’ayant jamais subi de commotions cérébrales. / Question: This thesis aimed to address two fundamental issues: 1) Are there long-lasting effects of sports-related concussion on cognitive and motor functions? and 2) Are the adverse effects of recurrent concussions cumulative? Experimental Design: The cross-sectional thesis design included a group of active university-level athletes as well as a group of former athletes recruited more than three decades after their university years who were tested on neurophysiological measures of both cognitive and motor system functions. Methods: Event-Related potentials and neuropsychological tests were used to assess cognitive functions while transcranial magnetic paradigms were used to assess motor cortex excitability, a force platform was used to assess postural stability and a 3-dimensional recording device was used to track hand position when performing a rapid alternating movement task. Results: This thesis disclosed persistent and cumulative alterations of both cognitive and motor functions after sports concussions. Furthermore, subclinical, neurophysiological alterations found in young concussed athletes were exacerbated in former athletes with concussions who displayed quantifiable cognitive and motor functions decline more than three decades post-concussion. Discussion: These results suggest that sports concussions induce cognitive and motor functions abnormalities that worsen as a function of the number of concussions sustained. Moreover, findings from the present thesis indicate that the deleterious effects of sports concussion on cognitive and motor system functions combined to those associated with the aging process lead to quantifiable decline on both cognition and motor functions.

Maintenant que les effets délétères des commotions cérébrales sur l’intégrité cérébrale sont mieux compris, la question se pose quant à savoir si la pratique d'un sport de contact, par l’exposition répétée à des coups à la tête en l'absence de commotion cérébrale, pourrait être associée à des effets similaires. Grâce à l’examen neuropsychologique et aux méthodes d’imagerie par résonance magnétique, l’objectif principal de cette thèse était de déterminer les impacts cognitifs, métaboliques et microstructurels de l’exposition répétée à des coups à la tête chez des joueurs universitaires de soccer et de rugby, sans historique de commotion cérébrale. Un deuxième objectif était de déterminer si la réponse aux impacts dits « sous-cliniques » (de l'anglais subconcussive) pouvait être modulée par les effets plastiques de la pratique d'un sport aérobique sur le cerveau. Pour ce faire, trois groupes ont été comparés: des athlètes pratiquant un sport de contact (soccer, rugby, A-SC), des athlètes pratiquant un sport sans contact (nage, A-SSC) et des non-athlètes (NA). La présente thèse est constituée de trois articles. Le premier présente une revue de la littérature sur les effets des commotions cérébrales sur l'excitabilité corticospinale et intracorticale du cortex moteur primaire (M1), tels que mesuré par la stimulation magnétique transcrânienne. Cette description des études antérieures a permis de proposer l'existence de mécanismes neuronaux spécifiques, notamment au niveau neurochimique, et orienter les hypothèses de l'étude 2. Le deuxième article compare les trois groupes de participants sur des mesures neurométaboliques (spectroscopie par résonance magnétique; SRM), neurologiques (imagerie de susceptibilité; SWI) et cognitives. La SRM a révélé des niveaux significativement élevés de myo-inositol dans le M1 des A-SC comparativement aux A-SSC et aux NA. Toujours chez les A-SC, une diminution préfrontale de glutamate+glutamine (Glx) et de GABA a été observée comparativement aux A-SSC seulement. Aucune différence significative n’a été observée entre les groupes pour la présence de microhémorragies et pour les mesures de fonctionnement attentionnel, exécutif et mnésique. Cependant, une corrélation positive a été observée entre la concentration de Glx et la performance en mémoire incidentielle chez les A-SC. Le troisième article porte sur la microstructure de la matière blanche en imagerie de diffusion (ITD). Globalement, les A-SSC présentaient des valeurs d’anisotropie fractionnelle (FA) significativement plus élevées comparativement aux A-SC dans le corps calleux et la voie corticospinale, et comparativement aux deux groupes dans les régions antérieures du corps calleux. Aucune corrélation significative n’a été observée entre les mesures de FA et les tâches cognitives. Au chapitre 5, des données additionnelles, non incluses dans les articles expérimentaux, sont rapportées. Premièrement, des données d'épaisseur de matière grise montrent l'absence de différence significative entre les trois groupes. Deuxièmement, des comparaisons intersexes exploratoires en SRM ont montré des concentrations de NAA moins élevées chez les femmes A-SC comparativement aux femmes A-SSC. En ITD, des différences significatives intergroupes ont été observées seulement chez les hommes, dans divers segments du corps calleux. En somme, l’exposition répétée à des coups sous-cliniques, dans un contexte de sport de contact universitaire, est liée à des changements métaboliques et microstructurels de la matière blanche comparativement à des A-SSC. Cependant, l'absence globale de différence métabolique et structurelle entre les A-SC et les NA, ainsi que l'absence de différence dans le profil cognitif des groupes, suggère une signification clinique limitée à court terme de l'exposition répétée à des coups à la tête en l'absence d'un historique de commotion cérébrale. / Now that the deleterious effects of sport-related concussions on brain integrity are better understood, the question arises as to whether the practice of a contact sport, through repeated exposure to head blows, could be associated with similar effects even in the absence of a concussion. With neuropsychological assessment and magnetic resonance imaging methods, the main objective of this thesis was to assess the cognitive, metabolic and microstructural effects of repetitive head impact exposure in university-level soccer and rugby players without a history of concussion. A second objective was to determine whether the response to so-called subconcussive impacts could be modulated by the effects of physical fitness on the brain. To do so, three groups were compared: athletes practicing a contact sport (soccer and rugby, A-CS), athletes practicing a noncontact sport (swimming, A-NCS), and non-athletes (NA). Three papers are presented in this thesis. The first one is a systematic review of the literature reporting the effects of concussions on the corticospinal and intracortical excitability of the primary motor cortex (M1), measured with transcranial magnetic stimulation. The description of previous studies highlighted the existence of specific neuronal mechanisms at the neurochemical level, and helped guide hypotheses for study 2. The second paper compares the three groups of participants on neurometabolic (magnetic resonance spectroscopy; MRS), neurological (susceptibility-weighted imaging; SWI), and cognitive measures. MRS revealed significantly elevated levels of myo-inositol in the M1 of the A-CS group compared to A-NCS and NA. Furthermore, in the A-CS group, decreased levels of prefrontal glutamate+glutamine (Glx) and GABA were observed compared to A-NSC only. No significant differences were found between groups for microhemorrhages and for attentional, executive and memory function. However, a positive correlation was observed between Glx concentration and performance at a memory task in A-CS. The third paper focuses on white matter microstructure as measured by diffusion weighted imaging (DWI). Overall, the A-NCS group exhibited significantly higher fractional anisotropy (FA) values than the A-CS group in the corpus callosum and the corticospinal tract, and in the anterior section of the corpus callosum compared to the other two groups. No significant correlation was found between FA values and cognitive tasks. In chapter 5, additional data that was not included in the experimental papers are presented. First, cortical thickness data showed no significant differences between the three groups. Second, exploratory intersex analyses were performed. MRS data showed lower NAA concentrations in female A-CS compared to female A-NCS. DWI data showed significant intergroup differences in men only for various segments of the corpus callosum. In sum, exposure to repetitive subconcussive hits to the head in university-level contact sports is associated with metabolic and white matter microstructural alterations. However, the overall lack of metabolic and structural difference between the A-CS and NA groups, as well as the lack of differences in the cognitive profile of the three groups suggest limited short term clinical significance of repeated exposure to head blows in the absence of a history of concussion.

No description available.

La plupart des études portant sur les commotions cérébrales se sont principalement intéressées aux conséquences de ces dernières sur le cerveau lui-même. Or, le cerveau assure de nombreuses fonctions, étant notamment impliqué dans la régulation du rythme cardiaque. Récemment, des chercheurs ont donc étudié les conséquences de ces commotions cérébrales sur la régulation de la fréquence cardiaque par le cerveau durant un effort physique. Cependant, la majorité des athlètes qui subissent une commotion cérébrale doivent non seulement planifier leur retour au jeu, mais également prévoir un retour au travail ou aux études. Ainsi, l’objectif de ce projet de recherche est d’étudier les conséquences des commotions cérébrales sur la régulation de la fréquence cardiaque par le cerveau durant un effort cognitif. Onze athlètes universitaires ayant subi une commotion cérébrale ainsi que 14 athlètes n’ayant aucun historique de commotion cérébrale ont pris part à l’étude. Les athlètes du groupe commotion ont été évalués en moyenne 14,6 jours (± 7,4 jours) après leur blessure. La fréquence cardiaque des participants a été enregistrée au repos ainsi que durant un effort cognitif qui consistait en une tâche d’alternance (« switch task »). De courts segments de la fréquence cardiaque d’une durée de deux minutes, au repos et durant la tâche cognitive, ont été analysés. Les résultats montrent une augmentation significative de l’entropie approximative chez les athlètes du groupe contrôle durant la tâche cognitive (ρ < 0,05), tandis qu’aucune différence n’a été observée entre l’entropie approximative au repos et celle durant la tâche cognitive chez les athlètes du groupe commotion. Ces résultats suggèrent que des déficits neurologiques liés à la régulation de la fréquence cardiaque peuvent être observés durant une tâche cognitive chez des athlètes ayant récemment subi une commotion cérébrale. / Most studies have focused on the consequences of concussions on the brain itself. However, the brain performs many functions, including regulating heart rate. Therefore, researchers have begun studying the consequences of these concussions on the brain’s heart rate regulation during physical exertion. Most athletes who sustain a concussion need to plan for their return to play as well as a return to work or school. The purpose of this research project was to study the consequences of concussions on the brain’s regulation of heart rate during cognitive effort. This study involved 11 university athletes who sustained a concussion, as well as 14 athletes with no history of concussion. Concussed athletes were assessed an average of 14.6 days (± 7.4 days) after their injury. The participants’ heart rate was recorded at rest and during cognitive effort, which consisted of a switch task. Short segments lasting two minutes at rest and during cognitive task were analyzed. The results show a significant increase in the approximate entropy in the control group during the cognitive task (ρ <0.05), while no difference was observed between the approximate entropy at rest and during the cognitive task in the concussed athletes. These results suggest that neurological deficits related to heart rate regulation may be observed during cognitive task in athletes who recently sustained a concussion.

No description available.

L’exposition aux impacts commotionnels et sous-commotionnels est une préoccupation majeure dans les sports de contact en raison de leurs effets néfastes sur la santé cérébrale. Des changements physiopathologiques et neurocognitifs ont été constatés après une seule saison de football chez des athlètes exposés à des coups sous-commotionnels. Vu l'absence d'outils sur les lignes de côtés permettant d'identifier les coups sous-commotionnels potentiellement dangereux, il est crucial de mettre au point des mesures objectives pour évaluer les perturbations neuropsychologiques aiguës associées aux chocs à la tête dans les sports de contact. Cette étude a pour but de documenter l'association entre l'exposition aux impacts à la tête pendant un match de football universitaire et les changements à court terme de l’excitabilité du cortex moteur primaire (M1) à l'aide de la stimulation magnétique transcrânienne (SMT). À cette fin, vingt-neuf athlètes masculins de niveau universitaire ont porté des protège-dents instrumentés (iMG) pendant un match de football afin de mesurer l'exposition aux impacts à la tête. Les mesures SMT ont été effectuées 24 heures avant et 1 à 2 heures après le match. De plus, vingt athlètes de football assigné au groupe contrôle ont participé à une séance d'entraînement physique sans contact et ont effectué les mêmes mesures de SMT. Les résultats suggèrent que, par rapport au groupe contrôle, le groupe d'athlètes ayant joué un match de football présentait une désinhibition intracorticale significative (p=0,028) sur l'inhibition intracorticale à intervalle court (SICI 3-ms) après le match. Par ailleurs, les joueurs de football exposés à un plus grand nombre de coups de 40g+ et à des forces cumulées plus importantes dues à des chocs de 40g+ présentaient une désinhibition intracorticale plus importante après le match. Compte tenu les effets délétères d'une diminution de l'inhibition sur le contrôle moteur et l'équilibre, suivre de manière systématique l'exposition aux impacts à la tête des athlètes tout au long de la saison pourrait s'avérer avantageux pour la gestion clinique des risques de blessure. Ces changements observés renforcent la conviction qu’il est nécessaire d’investiguer davantage les effets à long terme de l’exposition aux impacts sous-commotionnels. / Repetitive head impacts and sport-related concussions are significant concerns in contact sports due to their adverse effects on brain health. Pathophysiological and neurocognitive changes have been found after a single season of football in athletes exposed to subconcussive hits. Considering the lack of sideline tools to identify potentially dangerous subconcussive hits, coming up with objective measures to evaluate acute neurologic impairments associated with head impacts in contact sports is crucial from a clinical standpoint. The current project aimed to investigate the association between head impact exposure (HIE) during a varsity football game and short-term changes in cortical excitability of the primary motor cortex (M1) using transcranial magnetic stimulation (TMS). To this end, we conducted a study, in which twenty-nine university-level male athletes wore instrumented mouthguards (iMGs) during a football game to measure HIE. TMS measurements were conducted 24 hours before and 1-2 hours after the game. Additionally, twenty control football athletes submitted to a non-contact physical training session and underwent identical TMS assessments. Results suggest that relative to controls, the group of athletes who had played a full contact football game exhibited a significant intracortical disinhibition (p=.028) on short-interval intracortical inhibition (SICI 3-ms) within hours following the game. Moreover, football players exposed to more 40g+ hits and greater cumulative forces from 40g+ head impacts exhibited greater post-game SICI disinhibition. Given the deleterious effects of decreased inhibition on motor control and balance, systematically tracking head impact forces throughout the course of contact sport season could reveal essential for sideline clinical management of head injury risk. These observed changes add to the concern that more research into the lasting consequences of HIE is needed.