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Stroke is the leading cause of long-term disability costing the United States (US) health care system 34 billion dollars. However, stem cell based therapies have been shown to improve recovery after cortical injury by enhancing neural recovery and modulating immune responses (Lambertsen, Finsen, & Clausen, 2018; Orczykowski et al., 2018; Stonesifer et al., 2017). Specifically, reorganization of the motor circuit at the level of the spinal cord has been shown to improve functional recovery after injury (Christoph Wiessner; Weidner et al., 2001; Lee et al., 2004; Zai et al., 2009). In our study we used a non-human primate (NHP) model to study the neural recovery after cortical injury similar to damage from an ischemic stroke in the motor cortex with or without a systemic treatment of mesenchymal stem cell derived (MSCd) exosomes. We find a robust recovery in motor function within the first few weeks after injury including improved grasp patterns and faster retrieval times during behavioral tasks. Additionally, assessment of the cervical spinal cord (CSC) reveals decreased levels of sprouting axons from ipsilesional corticospinal tract (CST) and MAP2+ synapses in the contralesional ventral horn at 14 weeks post-injury, which correlates with improved retrieval latencies. We hypothesize that MSCd exosomes may encourage an earlier switch to anti-inflammatory and repair processes that reduces secondary damage in the cortex resulting in earlier pruning of axon collaterals and reducing the need for compensatory mechanisms of the spinal cord at 14 weeks post injury.

In spinal cord injury the amount of total surviving white matter is known to be strongly related to post injury neurological functions (1). Accurate segmentation of these regions is shown to be critical in terms of developing effective treatment (1). Diffusion Tensor Imaging (DTI) has been shown to be effective in obtaining spinal cord images (2). However challenges still exist in clear separation of gray/white/cerebrospinal fluid (CSF) structures within the cord using DTI. The purpose of this study is to (1) test a semi-automatic tissue segmentation algorithm based on grow cut algorithm (GCA), to classify CSF, gray and white matter in conventional T2 weighted MRI and Diffusion Tensor Imaging (DTI) images in pediatric spinal cord injury (SCI) subjects, and (2) to compare the results of semi-automatic GCA segmentation with manually segmented spinal cord data performed on various DTI images by a board certified pediatric neuroradiologist. Results show that semi-automatic segmentation of the spinal cord using GCA was successfully implemented. Qualitatively, good separation of cord/CSF was seen in B0, CFA and FA maps (of a representative patient with SCI and a control using this GCA method. They demonstrate more homogeneous signal within the cervical spinal cord as well as greater conspicuity of the cord and surrounding CSF interface. Quantitative analysis of images segmented using GCA and manual segmentation between and within the groups showed no significant differences in CFA (p=0.1347) and FA (p=0.1442) images but B0 (p=0.0001) images showed statistically significant differences. Overall, in both the controls and subjects with SCI, quantitative and qualitative analysis showed a superior semi-automated segmentation on CFA and FA images over a B0 image the using modified GCA. Key words: Grow Cut Algorithm (GCA), Magnetic Resonance Imaging (MRI), segmentation, Diffusion Tensor Imaging (DTI), cervical spinal cord, cerebral-spinal fluid (CSF). / Bioengineering

Cette thèse a comme objectif l’étude des processus de plasticité du réseau bulbo-spinal respiratoire après une lésion spinale cervicale unilatérale en C2, qui induit une interruption de la majorité des fibres respiratoires. Cette étude est réalisée par une approche de traçage de voies, couplée à une approche immunohistochimique, biochimique et électrophysiologique.La lésion latérale chronique induit dans la région sus-lésionnelle C1/C2 une diminution du nombre de fibres bulbo-spinales marquées et de la surface de la substance blanche. Nous observons cependant une augmentation du nombre de fibres repoussant dans la substance grise, y compris de terminaisons axonales, ainsi qu’une augmentation du nombre de neurones respiratoires se projetant vers les noyaux phréniques en C3/C4. Suite à la lésion, une sous-population de neurones respiratoires axotomisés exprime des marqueurs de réponse post-lésionnelle.Ces processus de plasticité pourraient contribuer à la récupération fonctionnelle. / The aim of this thesis was to study the anatomical and cellular plasticity processes of bulbospinal respiratory pathways after a unilateral cervical spinal injury C2, which leads to an interruption of the respiratory fibers. This study used an approach of anterograde and retrograde labeling, coupled with immunohistochemical, biochemical and electrophysiological methods.The chronic lateral lesion induced in sus-lesional area C1/C2 a decreased of number of bulbospinal fibers and a decreased white matter, but an increased number fibers sprouting in the gray matter, including axon terminals, and an increased number of respiratory neurons projecting to the phrenic nuclei in C3/C4. Following the lesion, a sub-population of axotomized respiratory neurons express markers of cell body post-lesion response. These processes of plasticity could contribute to functional recovery.

Ce travail de thèse avait pour objectif principal d’étudier l’influence de certains paramétrages deslogiciels de prédiction de mots et d’un programme d’entraînement ciblé sur la vitesse de saisie detexte chez des personnes tétraplégiques. Six études ont été menées. L’étude 1 nous a permis demettre en évidence des vitesses de saisie de texte chez les personnes tétraplégiques et d’étudierl’influence de leurs aides techniques d’accès à l’outil informatique sur cette vitesse. L’étude 2 nous apermis de mettre en avant l’hétérogénéité des résultats d’un logiciel de prédiction de mots sur lavitesse de saisie de texte sur une population hétérogène et sans paramétrage de ces logiciels.L’étude 3 nous a permis d’étudier les habitudes de préconisations et de paramétrages des logiciels deprédictions de mots par les professionnels. Les études 4 et 5 nous ont permis d’évaluer l’influencedes paramétrages (nombre de mots affichés dans la liste de prédiction et l’adaptation du logiciel auvocabulaire de l’utilisateur) sur cette saisie de texte. Enfin, l’étude 6 nous a permis d’étudierl’influence d’un entraînement dirigé par des professionnels sur les logiciels de prédictions de motschez des personnes tétraplégiques, sur la vitesse de saisie de texte.Les résultats montrent que seule l’aide technique d’accès à l’outil informatique influence la vitessede saisie de texte. Les logiciels de reconnaissance vocale permettent une vitesse de saisie de texteéquivalente à celle des personnes valides utilisant un clavier standard. Les paramétrages (nombre demots affichés dans la liste de prédiction et l’adaptation du logiciel au vocabulaire de l’utilisateur) ontune influence différente en fonction du niveau lésionnel des personnes tétraplégiques sur la vitessede saisie de texte, le nombre d’erreurs ou le confort. De plus, une différence entre l’importancedonnée aux paramétrages par les professionnels préconisateurs et les paramétrages effectivementréglés a été mise en évidence. Enfin, l’influence d’un entraînement dirigé sur la vitesse de saisie detexte a été mise en évidence sur la vitesse de saisie de texte. Au regard de l’ensemble de cesrésultats, il apparait nécessaire de paramétrer les logiciels de prédictions de mots, mais aussi deconnaitre l’influence des différents réglages et de diffuser cette information au sein des réseauxprofessionnels. La recherche doit être poursuivie pour améliorer les logiciels de prédiction de mots,mais aussi pour favoriser de nouveaux outils tels les tablettes tactiles et les logiciels dereconnaissance vocale. Une systématisation des entraînements dirigés sur les logiciels de prédictionde mots nécessite une réflexion et une validation sur les modalités et la nature de cesaccompagnements. / The main objective of this work was to study the influence of key settings of word predictionsoftware as well as a training program on the use of word prediction, on text input speed in personswith cervical spinal cord injury.Study 1 determined text input speed in persons with cervical spinal cord injury and the influence ofpersonal characteristics and type of computer device on text input speed. Study 2 evaluated theeffect of a dynamic virtual keyboard coupled with word prediction software on text input speed inpersons with functional tetraplegia. Study 3 analysed the word prediction software settingscommonly prescribed by health-related professionals for people with cervical spinal cord injury.Studies 4 and 5 evaluated the influence of the number of words displayed in the prediction list andthe frequency of use setting on text input speed. Finally, study 6 evaluated the influence of a trainingprogram on the use of word prediction software for persons with cervical spinal cord injury on textinput speed.The results showed that only the type of computer device influenced text input speed; voicerecognition software increased the text input speed of persons with cervical spinal cord injury to thatof able-bodied people using a standard keyboard. The influence of the different word predictionsoftware settings (number of words displayed in the prediction list and the frequency of use) on textinput speed, the number of errors or comfort of use, differed depending on the level of injury. Wealso found differences between the perception of the importance of some settings by healthprofessionalsand data in the literature regarding the optimization of settings. Moreover, althoughsome parameters were considered as very important, they were rarely configured. Finally, trainingpersons with cervical spinal cord injury in the use of word prediction software increased text inputspeed.The results of this work highlighted that word prediction software settings influence text input speedin persons with cervical spinal cord injury, however not all professionals are aware of this.Information should therefore be disseminated through professional networks. Further studies shouldaim to improve word prediction software and should also focus on new devices such as tablets andvoice recognition software. Persons with cervical spinal cord injury training programs in the use ofword prediction software need to be developed and validated.