L’âge, le génotype et les traumatismes crâniens (TCC) sont trois facteurs de risque majeurs du développement de la maladie d’Alzheimer (MA). Avec une accumulation d’évidences démontrant la persistance d’anomalies cérébrales suite aux plus légers des TCC, qui affichent d’ailleurs la plus haute incidence, il devient impératif de tester l’hypothèse selon laquelle même les commotions cérébrales puissent interagir avec l’âge et les gènes afin de précipiter la neurodégénération. Trente ex-athlètes de haut niveau (âge M = 60 ans), dont la moitié a subi des commotions cérébrales il y a plus de 30 ans, ont été évalués en neuropsychologie, en neuroimagerie multimodale ainsi qu’en génétique. De nombreuses mesures neuroanatomiques, dont l’expansion du volume des ventricules latéraux, se trouvent à corréler avec divers déficits cognitifs (mémoire différée et de reconnaissance) détectés chez les participants commotionnés. D’un intérêt particulier, certains de ces résultats sont modulés par le polymorphisme nucléotidique simple du gène Apolipoprotéine E. Ces résultats appuient l’hypothèse selon laquelle la commotion cérébrale chez de jeunes athlètes serait un facteur de risque de neurodégénération dans le vieillissement normal. / Age, genotype and traumatic brain injury (TBI) are three of the most important risk factors of Alzheimer’s Disease. With a growing body of evidence showing the persistent deleterious effects of the mildest form of TBI, it becomes imperative to test the hypothesis that sports concussion could interact with aging to precipitate neurodegeneration. Thirty former high-level athletes (mean age = 60 yrs), half of them having sustained sports concussion during their young adulthood, underwent neuropsychological, neuroanatomical and APOE genotype examination. Data analysis revealed numerous neurobiological anomalies, such as ventricular enlargement, correlating with cognitive deficits (delayed and recognition memory) in concussed participants. Of particular interest, some neuroanatomical measures were found to be modulated by APOE single-nucleotide polymorphisms. These findings support the idea that sports concussions sustained in early adulthood are a risk factor of neurodegeneration in late adulthood.

L’âge, le génotype et les traumatismes crâniens (TCC) sont trois facteurs de risque majeurs du développement de la maladie d’Alzheimer (MA). Avec une accumulation d’évidences démontrant la persistance d’anomalies cérébrales suite aux plus légers des TCC, qui affichent d’ailleurs la plus haute incidence, il devient impératif de tester l’hypothèse selon laquelle même les commotions cérébrales puissent interagir avec l’âge et les gènes afin de précipiter la neurodégénération. Trente ex-athlètes de haut niveau (âge M = 60 ans), dont la moitié a subi des commotions cérébrales il y a plus de 30 ans, ont été évalués en neuropsychologie, en neuroimagerie multimodale ainsi qu’en génétique. De nombreuses mesures neuroanatomiques, dont l’expansion du volume des ventricules latéraux, se trouvent à corréler avec divers déficits cognitifs (mémoire différée et de reconnaissance) détectés chez les participants commotionnés. D’un intérêt particulier, certains de ces résultats sont modulés par le polymorphisme nucléotidique simple du gène Apolipoprotéine E. Ces résultats appuient l’hypothèse selon laquelle la commotion cérébrale chez de jeunes athlètes serait un facteur de risque de neurodégénération dans le vieillissement normal. / Age, genotype and traumatic brain injury (TBI) are three of the most important risk factors of Alzheimer’s Disease. With a growing body of evidence showing the persistent deleterious effects of the mildest form of TBI, it becomes imperative to test the hypothesis that sports concussion could interact with aging to precipitate neurodegeneration. Thirty former high-level athletes (mean age = 60 yrs), half of them having sustained sports concussion during their young adulthood, underwent neuropsychological, neuroanatomical and APOE genotype examination. Data analysis revealed numerous neurobiological anomalies, such as ventricular enlargement, correlating with cognitive deficits (delayed and recognition memory) in concussed participants. Of particular interest, some neuroanatomical measures were found to be modulated by APOE single-nucleotide polymorphisms. These findings support the idea that sports concussions sustained in early adulthood are a risk factor of neurodegeneration in late adulthood.

Lors du dernier consensus international sur les commotions cérébrales (CC) dans le sport tenu à Berlin en 2016, les lignes directrices proposées insistent sur le besoin de biomarqueurs de diagnostic et de suivi des CC, donnant à la prise en charge clinique un caractère plus objectif que celui de l’évaluation traditionnelle des symptômes. L’objectif principal de cette thèse est de dresser un inventaire de paramètres d’évaluation clinique pouvant servir de référence et d’outil au clinicien lors la prise en charge des CC, particulièrement chez les athlètes de sports de contact. Pour l’élaboration de ces outils, en plus de tenir compte des spécificités anthropométriques et démographiques des athlètes, une attention particulière a été portée à ceux présentant un trouble déficitaire de l’attention avec hyperactivité (TDAH) et ceux ayant des antécédents de CC. Le premier objectif de la thèse était de produire des scores normatifs de référence pour l’échelle des symptômes postcommotionnels (PCSS), en plus d’examiner si et comment les antécédents de CC affectent ces scores (étude 1). Le deuxième objectif était de produire des valeurs normatives de la variabilité de la fréquence cardiaque (VFC) à court terme, chez des athlètes de sports de contact, tout en tenant compte des principaux déterminants qui pouvaient l’influencer (étude 2). Le troisième objectif était d’évaluer les scores de base du PCSS et la VFC à court terme, chez des athlètes de sports de contact avec TDAH et de les comparer à ceux d’athlètes sains appariés (étude 3). Les résultats de l’étude 1 ont montré que les scores normatifs des symptômes très élevés et susceptibles de signaler une CC variaient de 1 à 4 et plus, sur une échelle de 6, selon les symptômes concernés (n = 22). La comparaison des proportions des symptômes entre les groupes d’athlètes sans CC et ceux ayant des antécédents de CC a confirmé la présence de symptômes anormalement élevés chez les athlètes à CC répétées. Les résultats de l’étude 2 ont montré que la fréquence cardiaque (FC) était le principal déterminant des paramètres de la VFC standard. Par conséquent, les paramètres de la VFC ont été standardisés et leurs limites normatives développées en fonction de la FC moyenne. L’étude 3 a montré que les athlètes avec TDAH ont produit des scores de symptômes significativement plus élevés comparativement à ceux des athlètes sains appariés. L'évaluation de la VFC a révélé une réduction de plusieurs paramètres chez le groupe avec TDAH. En conclusion, les normes de référence proposées dans cette thèse pourraient être utilisées lors de l’évaluation et du suivi des CC chez les athlètes de sports de contact de sexe masculin. Les outils d’évaluation qui accompagnent nos travaux font directement voir si un score donné se situe dans les limites normales. L’accès facile à ces outils et leur simplicité d’utilisation et d’interprétation sont particulièrement intéressants lorsque l’intervention clinique est combinée à d’autres interventions dans un contexte multidisciplinaire. Il reste que, avec les athlètes souffrant d’un TDAH ou ayant des antécédents de CC, l’interprétation des scores devrait être faite avec prudence. / At the last international consensus on concussion in sports held in Berlin in 2016, the guidelines that were proposed emphasized the need for diagnostic and monitoring biomarkers for concussion, giving clinical management a more objective basis than that of traditional symptom assessment. The main objective of this thesis was to develop an inventory of clinical assessment parameters that may serve as reference and toolbox for the clinician in the management of concussion, particularly in contact sport athletes. For the development of these tools, in addition to taking into account the anthropometric and demographic specificities of the athletes, special attention has been paid to those with ADHD and those with a history of concussions. The first objective of the thesis was to produce a normative baseline scores post concussion symptom scale (PCSS), in addition to examining whether and how concussion history affects these scores (Study 1). The second objective was to produce normative values of short-term heart rate variability (HRV) in contact sport athletes, while accounting for the major determinants that could influence it (Study 2). The third objective was to evaluate baseline PCSS scores and short-term HRV in contact sports athletes with ADHD and to compare them with healthy matched athletes (Study 3). Study 1 showed that the higher normative scores of symptoms likely to signal concussion ranged from 1 to 4 and above on a scale of 6, according to the symptoms (n = 22). A comparison of symptom proportions between groups of athletes without concussions and those with a history of concussions confirmed the prevalence of abnormally high symptoms in athletes with a history of concussions. The results of study 2 showed that heart rate (HR) was the primary determinant of standard HRV parameters. Therefore, the HRV parameters were standardized and their normative limits developed in relation to the mean HR. Study 3 showed that athletes with ADHD produced significantly higher symptom scores compared to matched healthy athletes. Assessment of HRV revealed a lowering in several parameters in the ADHD group. In conclusion, the reference standards proposed in this thesis may be used in the assessment and monitoring of concussion in male contact sports athletes. The assessment tools available in our work directly indicate whether a given score is within the normal range. The easy access to these tools and the simplicity of their use and interpretation are of particular relevance when a clinical intervention is combined with other interventions in a multidisciplinary context. However, for athletes with ADHD or a history of concussions, interpretation of scores should be made with caution.

Les commotions cérébrales ont longtemps été considérées comme une blessure ne comportant que peu ou pas de conséquences. Cependant, la mise à la retraite forcée de plusieurs athlètes de haut niveau, liée au fait d'avoir subi des commotions cérébrales multiples, a porté cette question au premier plan de la culture scientifique et sportive. Malgré la sensibilisation croissante du public et la compréhension scientifique accrue des commotions cérébrales, il reste encore beaucoup d’inconnus au sujet de ces blessures. En effet, il est difficile de comprendre comment cette atteinte peut avoir des effets si profonds malgré le fait qu’elle n’entraîne apparemment pas de conséquences physiques apparentes lorsque les techniques traditionnelles d’imagerie cérébrale sont utilisées. Les techniques de neuroimagerie fonctionnelle ont cependant contribué à répondre aux nombreuses questions entourant les conséquences des commotions cérébrales ainsi qu'à accroître la compréhension générale de la physiopathologie de commotions cérébrales. Bien que les techniques de base telles que l'imagerie structurelle comme les scans TC et IRM soient incapables de détecter des changements structurels dans la grande majorité des cas (Ellemberg, Henry, Macciocchi, Guskiewicz, & Broglio, 2009; Johnston, Ptito, Chankowsky, & Chen, 2001), d'autres techniques plus précises et plus sensibles ont été en mesure de détecter avec succès des changements dans le cerveau commotionné. Des études d’IRM fonctionelle ont entre autres établi une solide relation entre les altérations fonctionnelles et les symptômes post-commotionels (Chen, Johnston, Collie, McCrory, & Ptito, 2007; Chen et al., 2004; Chen, Johnston, Petrides, & Ptito, 2008; Fazio, Lovell, Pardini, & Collins, 2007). Les mesures électrophysiologiques telles que les potentiels évoqués cognitifs (ERP) (Gaetz, Goodman, & Weinberg, 2000; Gaetz & Weinberg, 2000; Theriault, De Beaumont, Gosselin, Filipinni, & Lassonde, 2009; Theriault, De Beaumont, Tremblay, Lassonde, & Jolicoeur, 2010) et la stimulation magnétique transcrânienne ou SMT (De Beaumont, Brisson, Lassonde, & Jolicoeur, 2007; De Beaumont, Lassonde, Leclerc, & Theoret, 2007; De Beaumont et al., 2009) ont systématiquement démontré des altérations fonctionnelles chez les athlètes commotionnés. Cependant, très peu de recherches ont tenté d'explorer davantage certaines conséquences spécifiques des commotions cérébrales, entre autres sur les plans structural et métabolique. La première étude de cette thèse a évalué les changements structurels chez les athlètes commotionnés à l’aide de l'imagerie en tenseur de diffusion (DTI) qui mesure la diffusion de l'eau dans la matière blanche, permettant ainsi de visualiser des altérations des fibres nerveuses. Nous avons comparé les athlètes commotionnés à des athlètes de contrôle non-commotionnés quelques jours après la commotion et de nouveau six mois plus tard. Nos résultats indiquent un patron constant de diffusion accrue le long des voies cortico-spinales et dans la partie du corps calleux reliant les régions motrices. De plus, ces changements étaient encore présents six mois après la commotion, ce qui suggère que les effets de la commotion cérébrale persistent bien après la phase aiguë. Les deuxième et troisième études ont employé la spectroscopie par résonance magnétique afin d'étudier les changements neurométaboliques qui se produisent dans le cerveau commotionné. La première de ces études a évalué les changements neurométaboliques, les aspects neuropsychologiques, et la symptomatologie dans la phase aiguë post-commotion. Bien que les tests neuropsychologiques aient été incapables de démontrer des différences entre les athlètes commotionnés et non-commotionnés, des altérations neurométaboliques ont été notées dans le cortex préfrontal dorsolatéral ainsi que dans le cortex moteur primaire, lesquelles se sont avérées corréler avec les symptômes rapportés. La deuxième de ces études a comparé les changements neurométaboliques immédiatement après une commotion cérébrale et de nouveau six mois après l’atteinte. Les résultats ont démontré des altérations dans le cortex préfrontal dorsolatéral et moteur primaire dans la phase aiguë post-traumatique, mais seules les altérations du cortex moteur primaire ont persisté six mois après la commotion. Ces résultats indiquent que les commotions cérébrales peuvent affecter les propriétés physiques du cerveau, spécialement au niveau moteur. Il importe donc de mener davantage de recherches afin de mieux caractériser les effets moteurs des commotions cérébrales sur le plan fonctionnel. / Concussions had long been considered an injury of little to no consequence. However, the forced retirement of several high profile athletes due to the impact of having suffered multiple concussions has pushed the issue to the forefront of scientific and sports culture alike. Despite the growing public awareness and the ever-expanding scientific understanding of concussions there is still much that remains unknown about these injuries. Indeed, understanding how an injury can have such profound effects, though mostly transient, without any apparent physical consequence continues to confound how concussions are conceptualized in research. Neuroimaging techniques have helped answer many of the questions surrounding the physical consequences of concussions on the brain as well as increasing the general understanding of the pathophysiology of concussions. While basic structural imaging techniques such as CT scans and MRI are unable to detect any structural changes in the vast majority of cases (Ellemberg, et al., 2009; Johnston, et al., 2001), other more precise and sensitive techniques have been able to successfully detect changes in the concussed brain. Functional MRI studies have further established a strong relationship between functional alterations and post-concussion symptoms (Chen, et al., 2007; Chen, et al., 2004; Chen, et al., 2008; Fazio, et al., 2007). Electrophysiological measures such as ERP (Gaetz, et al., 2000; Gaetz & Weinberg, 2000; Theriault, et al., 2009; Theriault, et al., 2010) and TMS (De Beaumont, Brisson, et al., 2007; De Beaumont, Lassonde, et al., 2007; De Beaumont, et al., 2009) have consistently demonstrated alterations in concussed athletes. However, there has been very little research that has attempted to further explore the specific structural and metabolic aspects of concussion. The first study assessed structural changes in concussed athletes using diffusion tensor imaging which measures water diffusion in white matter. We compared concussed athletes with non-concussed control athletes in the days immediately after injury and again six months later. Our results indicated a consistent pattern of increased diffusion along neural tracts of the cortical spinal tract and in the corpus callosum underlying motor cortex. Furthermore, these changes were still present six months after injury suggesting that the effects of concussion are persistent past the acute phase. The second and third studies employed magnetic resonance spectroscopy as a means of investigating the neurometabolic changes that occur in the concussed brain. The first of these studies investigated the neurometabolic changes, neuropsychological aspects, and symptomatology in the acute post-injury phase. While neuropsychological testing was unable to show differences between concussed and non-concussed athletes, neurometabolic alterations were noted in the dorsal lateral prefrontal cortex as well as in primary motor cortex which correlated with reported symptoms. The second study investigated neurometabolic changes immediately after concussion and again six months after injury. Results indicated alterations in the dorsolateral prefrontal and primary motor cortices in the acute post-injury phase, but only those in primary motor cortex persisted to the six month time point.

Les commotions cérébrales subies en contexte sportif constituent un sujet préoccupant. Il est estimé qu’aux États-Unis, environ cinq pourcent de l’ensemble des athlètes subiront une commotion cérébrale. Celle-ci est considérée comme une blessure transitoire dans la majorité des cas. Dans le domaine de la commotion cérébrale sportive, le phénomène de risque accru chez des athlètes ayant subi préalablement des commotions cérébrales est bien documenté. Cet aspect remet en question l’aspect transitoire de la blessure. Les techniques d’imagerie fonctionnelle offrent un grand potentiel dans la compréhension de cette pathologie en montrant notamment les différences fonctionnelles chez des participants ayant subi un traumatisme crânio-cérébral léger en l’absence de résultats comportementaux. Il est probable que des altérations fonctionnelles persistent au-delà de la phase de récupération postsymptômes. L’électrophysiologie, en particulier les potentiels évoqués cognitifs sont un outil de choix pour étudier la question en raison de leur sensibilité et de la mesure fonctionnelle qu’ils permettent d’obtenir. Les potentiels évoqués cognitifs consistent en une réponse électrique cérébrale moyenne générée lors de l’accomplissement d’une tâche. Il est possible d’identifier différentes composantes dans le tracé d’un potentiel évoqué; ces composantes sont associées à différents aspects de l’activité électrique cérébrale durant le traitement perceptuel et cognitif.Les articles scientifiques inclus dans cette thèse se penchent sur les effets de commotions cérébrales multiples chez des athlètes plusieurs mois après la dernière commotion. Dans un premier temps, l’aspect temporel est évalué par le biais de la mesure de la P3a et la P3b dans différents groupes d’athlètes. Ces composantes sont liées aux processus de mémoire et d’attention. Les résultats suggèrent que, malgré un fonctionnement normal, les athlètes ayant subi des commotions cérébrales éprouveraient de probables changements cognitifs sous-cliniques persistants se traduisant par une atténuation des P3a et P3b. Des altérations seraient aussi présentes quelques années après la dernière commotion, mais de façon plus subtile. La deuxième étude soumise s’intéresse aux processus électrophysiologiques liés au maintien de l’information en mémoire de travail visuel chez des athlètes ayant subi plusieurs commotions cérébrales. La mesure utilisée est la SPCN (sustained posterior controlateral negativity), une composante ERP spécifique au processus cognitif étudié. Les résultats montrent non seulement une composante atténuée chez les athlètes ayant subi trois commotions cérébrales ou plus, mais aussi une modulation de la composante en fonction du nombre de commotions cérébrales subies. Ces résultats pourraient contribuer à expliquer le risque accru de subir des commotions cérébrales subséquentes observées chez ces athlètes. En lien avec la littérature, ces données pourraient s’expliquer par la présence de déficits cognitifs sous-cliniques ou encore par la mise en place de mécanismes compensatoires. Enfin, ces résultats invitent à une grande prudence dans la gestion des cas de commotions cérébrales ainsi qu’à un effort d’éducation plus poussé chez les jeunes athlètes afin qu’ils puissent prendre les meilleures décisions concernant leur avenir. / Concussions sustained in sporting contexts are a major concern. In United States only, it has been estimated that among all athletes in college teams, 5% will be concussed. According to an agreement following an international symposium on concussion in sport, in most cases, this is a transient injury. Within the field, it is known that the likelihood of sustaining a concussion increased as a function of the number of past concussions. This aspect challenges the transient conception of the injury. Functional imaging techniques such as functional magnetic resonance imaging (fMRI) or eventrelated potentials (ERP) showed functional alterations in absence of any behavioral changes within concussed athlete groups. ERP consist in the averaged cerebral electrical signal recorded on the scalp during a given stimulation or task. Many components may be identified within the signal, each associated to specific perceptual and cognitive functioning. In concussed athletes, it is possible that functional alterations persist well beyond the acute period. ERP have been chosen to study this topic because of their sensitivity. Scientific papers included in this thesis discuss the effects of multiple concussions among young adult athletes months after the last concussion. The first study investigates two groups of athletes with multiple concussions at different time points. P3a and P3b were used as electrophysiological markers. These components are known to be related to attention and memory functions. Results demonstrate that, despite normal neuropsychological evaluation, attenuation is present on both P3. Those changes were still present years after, but in a more subtle manner. The second study describes the effect of multiple concussions on sustained posterior contralateral negativity (SPCN), an ERP component specifically related to information maintenance in visual working memory. Results showed that athletes who sustained three concussions or more display an attenuated SPCN. Also, a modulation of the SPCN as a function of the number of concussions was point out. Overall, these results might help to explain the increased risk of further concussions among concussed athletes. It is possible that results are explained by subclinical cognitive deficits and/or compensatory mechanisms. Finally, such data invites extra precaution in the management of concussions. Also, it seems important to give young athletes plenty of information to allow them to make more enlightened decisions about their future.

Les commotions cérébrales d’origine sportive sont fréquentes chez les athlètes professionnels et semblent l’être tout autant chez les jeunes sportifs. Chez l’adulte, les symptômes se résorbent dans la majorité des cas assez rapidement (7-10 jours), mais la récupération peut s’avérer différente chez les jeunes. Plusieurs études utilisant les potentiels évoqués cognitifs ont découvert des anomalies cérébrales en l’absence de symptômes cliniques observables chez l'adulte. Toutefois, peu de données scientifiques sont disponibles sur les répercussions d’un tel impact sur le cerveau en développement. Le but de l’étude était de déterminer s’il existe une relation entre l’âge de survenue au moment de la commotion et la gravité des déficits. Cette étude transversale a évalué le fonctionnement cognitif de sportifs par des tests neuropsychologiques ainsi que les mécanismes neuronaux de l’orientation de l’attention (P3a) et de mise à jour de l’information en mémoire de travail (P3b) à l’aide de potentiels évoqués cognitifs. Les athlètes étaient répartis selon trois groupes d’âge [9-12 ans (n=32); 13-16 ans (n=34); adultes (n=30)], la moitié ayant subi une commotion dans la dernière année. Les comparaisons entre les groupes ont été effectuées par une série d’ANOVAs. Comparativement au groupe contrôle, les adolescents commotionnés présentaient des déficits de mémoire de travail. Les athlètes commotionnés démontraient une réduction de l’amplitude de la P3b comparativement aux non-commotionnés. Les résultats illustrent la présence de déficits neurophysiologiques persistants et ce, au moins six mois suivant l’impact. Les enfants semblent aussi sensibles que les adultes aux effets délétères d’une commotion cérébrale et les conséquences s’avèrent plus sévères chez l’adolescent. / Sport-related concussions are common injuries among professional athletes as well in adolescents and children participating in organized sports. Although the majority of concussions resolve rapidly in adults (7-10 days), recovery could be different in younger athletes. Several studies using event-related potentials show that adult athletes have cerebral anomalies in the absence of clinical symptoms. However, the consequences of a sport-related concussion on the developing brain are less known. The purpose of this study was to determine whether age differences exist with respect to cognitive functioning following a sport-related concussion. This cross-sectionnal study assessed cognitive functioning using standardized neuropsychological tests as well the neuronal mechanisms associated with the re-orienting attention (P3a) and with the update of information in working memory (P3b), using event-related potentials. Athletes were divided into three age groups [9-12 yrs (n=32); 13-16 yrs (n=34); and adults (n=30)] half of whom suffered from a sport-related concussion. Group comparisons were investigated with a series of ANOVAs. Specifically, concussed adolescents showed persistent deficits in working memory compare with their non injured counterparts. Concussed athletes from all age groups had significantly lower amplitude for the P3b component of their ERPs compared to their non injured teammates. No age-related differences for ERP’s were found among the concussed groups. These data suggest persistent neurophysiological deficits that are present at least 6 months following a concussion. Children appear to be as sensitive as adults to the consequences of a concussion and adolescents seem experience the most severe outcomes.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Les commotions cérébrales subies en contexte sportif constituent un sujet préoccupant. Il est estimé qu’aux États-Unis, environ cinq pourcent de l’ensemble des athlètes subiront une commotion cérébrale. Celle-ci est considérée comme une blessure transitoire dans la majorité des cas. Dans le domaine de la commotion cérébrale sportive, le phénomène de risque accru chez des athlètes ayant subi préalablement des commotions cérébrales est bien documenté. Cet aspect remet en question l’aspect transitoire de la blessure. Les techniques d’imagerie fonctionnelle offrent un grand potentiel dans la compréhension de cette pathologie en montrant notamment les différences fonctionnelles chez des participants ayant subi un traumatisme crânio-cérébral léger en l’absence de résultats comportementaux. Il est probable que des altérations fonctionnelles persistent au-delà de la phase de récupération postsymptômes. L’électrophysiologie, en particulier les potentiels évoqués cognitifs sont un outil de choix pour étudier la question en raison de leur sensibilité et de la mesure fonctionnelle qu’ils permettent d’obtenir. Les potentiels évoqués cognitifs consistent en une réponse électrique cérébrale moyenne générée lors de l’accomplissement d’une tâche. Il est possible d’identifier différentes composantes dans le tracé d’un potentiel évoqué; ces composantes sont associées à différents aspects de l’activité électrique cérébrale durant le traitement perceptuel et cognitif.Les articles scientifiques inclus dans cette thèse se penchent sur les effets de commotions cérébrales multiples chez des athlètes plusieurs mois après la dernière commotion. Dans un premier temps, l’aspect temporel est évalué par le biais de la mesure de la P3a et la P3b dans différents groupes d’athlètes. Ces composantes sont liées aux processus de mémoire et d’attention. Les résultats suggèrent que, malgré un fonctionnement normal, les athlètes ayant subi des commotions cérébrales éprouveraient de probables changements cognitifs sous-cliniques persistants se traduisant par une atténuation des P3a et P3b. Des altérations seraient aussi présentes quelques années après la dernière commotion, mais de façon plus subtile. La deuxième étude soumise s’intéresse aux processus électrophysiologiques liés au maintien de l’information en mémoire de travail visuel chez des athlètes ayant subi plusieurs commotions cérébrales. La mesure utilisée est la SPCN (sustained posterior controlateral negativity), une composante ERP spécifique au processus cognitif étudié. Les résultats montrent non seulement une composante atténuée chez les athlètes ayant subi trois commotions cérébrales ou plus, mais aussi une modulation de la composante en fonction du nombre de commotions cérébrales subies. Ces résultats pourraient contribuer à expliquer le risque accru de subir des commotions cérébrales subséquentes observées chez ces athlètes. En lien avec la littérature, ces données pourraient s’expliquer par la présence de déficits cognitifs sous-cliniques ou encore par la mise en place de mécanismes compensatoires. Enfin, ces résultats invitent à une grande prudence dans la gestion des cas de commotions cérébrales ainsi qu’à un effort d’éducation plus poussé chez les jeunes athlètes afin qu’ils puissent prendre les meilleures décisions concernant leur avenir. / Concussions sustained in sporting contexts are a major concern. In United States only, it has been estimated that among all athletes in college teams, 5% will be concussed. According to an agreement following an international symposium on concussion in sport, in most cases, this is a transient injury. Within the field, it is known that the likelihood of sustaining a concussion increased as a function of the number of past concussions. This aspect challenges the transient conception of the injury. Functional imaging techniques such as functional magnetic resonance imaging (fMRI) or eventrelated potentials (ERP) showed functional alterations in absence of any behavioral changes within concussed athlete groups. ERP consist in the averaged cerebral electrical signal recorded on the scalp during a given stimulation or task. Many components may be identified within the signal, each associated to specific perceptual and cognitive functioning. In concussed athletes, it is possible that functional alterations persist well beyond the acute period. ERP have been chosen to study this topic because of their sensitivity. Scientific papers included in this thesis discuss the effects of multiple concussions among young adult athletes months after the last concussion. The first study investigates two groups of athletes with multiple concussions at different time points. P3a and P3b were used as electrophysiological markers. These components are known to be related to attention and memory functions. Results demonstrate that, despite normal neuropsychological evaluation, attenuation is present on both P3. Those changes were still present years after, but in a more subtle manner. The second study describes the effect of multiple concussions on sustained posterior contralateral negativity (SPCN), an ERP component specifically related to information maintenance in visual working memory. Results showed that athletes who sustained three concussions or more display an attenuated SPCN. Also, a modulation of the SPCN as a function of the number of concussions was point out. Overall, these results might help to explain the increased risk of further concussions among concussed athletes. It is possible that results are explained by subclinical cognitive deficits and/or compensatory mechanisms. Finally, such data invites extra precaution in the management of concussions. Also, it seems important to give young athletes plenty of information to allow them to make more enlightened decisions about their future.

Les commotions cérébrales d’origine sportive sont fréquentes chez les athlètes professionnels et semblent l’être tout autant chez les jeunes sportifs. Chez l’adulte, les symptômes se résorbent dans la majorité des cas assez rapidement (7-10 jours), mais la récupération peut s’avérer différente chez les jeunes. Plusieurs études utilisant les potentiels évoqués cognitifs ont découvert des anomalies cérébrales en l’absence de symptômes cliniques observables chez l'adulte. Toutefois, peu de données scientifiques sont disponibles sur les répercussions d’un tel impact sur le cerveau en développement. Le but de l’étude était de déterminer s’il existe une relation entre l’âge de survenue au moment de la commotion et la gravité des déficits. Cette étude transversale a évalué le fonctionnement cognitif de sportifs par des tests neuropsychologiques ainsi que les mécanismes neuronaux de l’orientation de l’attention (P3a) et de mise à jour de l’information en mémoire de travail (P3b) à l’aide de potentiels évoqués cognitifs. Les athlètes étaient répartis selon trois groupes d’âge [9-12 ans (n=32); 13-16 ans (n=34); adultes (n=30)], la moitié ayant subi une commotion dans la dernière année. Les comparaisons entre les groupes ont été effectuées par une série d’ANOVAs. Comparativement au groupe contrôle, les adolescents commotionnés présentaient des déficits de mémoire de travail. Les athlètes commotionnés démontraient une réduction de l’amplitude de la P3b comparativement aux non-commotionnés. Les résultats illustrent la présence de déficits neurophysiologiques persistants et ce, au moins six mois suivant l’impact. Les enfants semblent aussi sensibles que les adultes aux effets délétères d’une commotion cérébrale et les conséquences s’avèrent plus sévères chez l’adolescent. / Sport-related concussions are common injuries among professional athletes as well in adolescents and children participating in organized sports. Although the majority of concussions resolve rapidly in adults (7-10 days), recovery could be different in younger athletes. Several studies using event-related potentials show that adult athletes have cerebral anomalies in the absence of clinical symptoms. However, the consequences of a sport-related concussion on the developing brain are less known. The purpose of this study was to determine whether age differences exist with respect to cognitive functioning following a sport-related concussion. This cross-sectionnal study assessed cognitive functioning using standardized neuropsychological tests as well the neuronal mechanisms associated with the re-orienting attention (P3a) and with the update of information in working memory (P3b), using event-related potentials. Athletes were divided into three age groups [9-12 yrs (n=32); 13-16 yrs (n=34); and adults (n=30)] half of whom suffered from a sport-related concussion. Group comparisons were investigated with a series of ANOVAs. Specifically, concussed adolescents showed persistent deficits in working memory compare with their non injured counterparts. Concussed athletes from all age groups had significantly lower amplitude for the P3b component of their ERPs compared to their non injured teammates. No age-related differences for ERP’s were found among the concussed groups. These data suggest persistent neurophysiological deficits that are present at least 6 months following a concussion. Children appear to be as sensitive as adults to the consequences of a concussion and adolescents seem experience the most severe outcomes.

Les commotions cérébrales ont longtemps été considérées comme une blessure ne comportant que peu ou pas de conséquences. Cependant, la mise à la retraite forcée de plusieurs athlètes de haut niveau, liée au fait d'avoir subi des commotions cérébrales multiples, a porté cette question au premier plan de la culture scientifique et sportive. Malgré la sensibilisation croissante du public et la compréhension scientifique accrue des commotions cérébrales, il reste encore beaucoup d’inconnus au sujet de ces blessures. En effet, il est difficile de comprendre comment cette atteinte peut avoir des effets si profonds malgré le fait qu’elle n’entraîne apparemment pas de conséquences physiques apparentes lorsque les techniques traditionnelles d’imagerie cérébrale sont utilisées. Les techniques de neuroimagerie fonctionnelle ont cependant contribué à répondre aux nombreuses questions entourant les conséquences des commotions cérébrales ainsi qu'à accroître la compréhension générale de la physiopathologie de commotions cérébrales. Bien que les techniques de base telles que l'imagerie structurelle comme les scans TC et IRM soient incapables de détecter des changements structurels dans la grande majorité des cas (Ellemberg, Henry, Macciocchi, Guskiewicz, & Broglio, 2009; Johnston, Ptito, Chankowsky, & Chen, 2001), d'autres techniques plus précises et plus sensibles ont été en mesure de détecter avec succès des changements dans le cerveau commotionné. Des études d’IRM fonctionelle ont entre autres établi une solide relation entre les altérations fonctionnelles et les symptômes post-commotionels (Chen, Johnston, Collie, McCrory, & Ptito, 2007; Chen et al., 2004; Chen, Johnston, Petrides, & Ptito, 2008; Fazio, Lovell, Pardini, & Collins, 2007). Les mesures électrophysiologiques telles que les potentiels évoqués cognitifs (ERP) (Gaetz, Goodman, & Weinberg, 2000; Gaetz & Weinberg, 2000; Theriault, De Beaumont, Gosselin, Filipinni, & Lassonde, 2009; Theriault, De Beaumont, Tremblay, Lassonde, & Jolicoeur, 2010) et la stimulation magnétique transcrânienne ou SMT (De Beaumont, Brisson, Lassonde, & Jolicoeur, 2007; De Beaumont, Lassonde, Leclerc, & Theoret, 2007; De Beaumont et al., 2009) ont systématiquement démontré des altérations fonctionnelles chez les athlètes commotionnés. Cependant, très peu de recherches ont tenté d'explorer davantage certaines conséquences spécifiques des commotions cérébrales, entre autres sur les plans structural et métabolique. La première étude de cette thèse a évalué les changements structurels chez les athlètes commotionnés à l’aide de l'imagerie en tenseur de diffusion (DTI) qui mesure la diffusion de l'eau dans la matière blanche, permettant ainsi de visualiser des altérations des fibres nerveuses. Nous avons comparé les athlètes commotionnés à des athlètes de contrôle non-commotionnés quelques jours après la commotion et de nouveau six mois plus tard. Nos résultats indiquent un patron constant de diffusion accrue le long des voies cortico-spinales et dans la partie du corps calleux reliant les régions motrices. De plus, ces changements étaient encore présents six mois après la commotion, ce qui suggère que les effets de la commotion cérébrale persistent bien après la phase aiguë. Les deuxième et troisième études ont employé la spectroscopie par résonance magnétique afin d'étudier les changements neurométaboliques qui se produisent dans le cerveau commotionné. La première de ces études a évalué les changements neurométaboliques, les aspects neuropsychologiques, et la symptomatologie dans la phase aiguë post-commotion. Bien que les tests neuropsychologiques aient été incapables de démontrer des différences entre les athlètes commotionnés et non-commotionnés, des altérations neurométaboliques ont été notées dans le cortex préfrontal dorsolatéral ainsi que dans le cortex moteur primaire, lesquelles se sont avérées corréler avec les symptômes rapportés. La deuxième de ces études a comparé les changements neurométaboliques immédiatement après une commotion cérébrale et de nouveau six mois après l’atteinte. Les résultats ont démontré des altérations dans le cortex préfrontal dorsolatéral et moteur primaire dans la phase aiguë post-traumatique, mais seules les altérations du cortex moteur primaire ont persisté six mois après la commotion. Ces résultats indiquent que les commotions cérébrales peuvent affecter les propriétés physiques du cerveau, spécialement au niveau moteur. Il importe donc de mener davantage de recherches afin de mieux caractériser les effets moteurs des commotions cérébrales sur le plan fonctionnel. / Concussions had long been considered an injury of little to no consequence. However, the forced retirement of several high profile athletes due to the impact of having suffered multiple concussions has pushed the issue to the forefront of scientific and sports culture alike. Despite the growing public awareness and the ever-expanding scientific understanding of concussions there is still much that remains unknown about these injuries. Indeed, understanding how an injury can have such profound effects, though mostly transient, without any apparent physical consequence continues to confound how concussions are conceptualized in research. Neuroimaging techniques have helped answer many of the questions surrounding the physical consequences of concussions on the brain as well as increasing the general understanding of the pathophysiology of concussions. While basic structural imaging techniques such as CT scans and MRI are unable to detect any structural changes in the vast majority of cases (Ellemberg, et al., 2009; Johnston, et al., 2001), other more precise and sensitive techniques have been able to successfully detect changes in the concussed brain. Functional MRI studies have further established a strong relationship between functional alterations and post-concussion symptoms (Chen, et al., 2007; Chen, et al., 2004; Chen, et al., 2008; Fazio, et al., 2007). Electrophysiological measures such as ERP (Gaetz, et al., 2000; Gaetz & Weinberg, 2000; Theriault, et al., 2009; Theriault, et al., 2010) and TMS (De Beaumont, Brisson, et al., 2007; De Beaumont, Lassonde, et al., 2007; De Beaumont, et al., 2009) have consistently demonstrated alterations in concussed athletes. However, there has been very little research that has attempted to further explore the specific structural and metabolic aspects of concussion. The first study assessed structural changes in concussed athletes using diffusion tensor imaging which measures water diffusion in white matter. We compared concussed athletes with non-concussed control athletes in the days immediately after injury and again six months later. Our results indicated a consistent pattern of increased diffusion along neural tracts of the cortical spinal tract and in the corpus callosum underlying motor cortex. Furthermore, these changes were still present six months after injury suggesting that the effects of concussion are persistent past the acute phase. The second and third studies employed magnetic resonance spectroscopy as a means of investigating the neurometabolic changes that occur in the concussed brain. The first of these studies investigated the neurometabolic changes, neuropsychological aspects, and symptomatology in the acute post-injury phase. While neuropsychological testing was unable to show differences between concussed and non-concussed athletes, neurometabolic alterations were noted in the dorsal lateral prefrontal cortex as well as in primary motor cortex which correlated with reported symptoms. The second study investigated neurometabolic changes immediately after concussion and again six months after injury. Results indicated alterations in the dorsolateral prefrontal and primary motor cortices in the acute post-injury phase, but only those in primary motor cortex persisted to the six month time point.