Die Nah-infrarot-Spektroskopie (NIRS) bestimmt kontinuierlich und nicht-invasiv anhand der Absorptionsänderung von nah-infrarotem Licht den Oxy- und Desoxyhämoglobingehalt sowie den Redoxstatus von Cytochrom a/a3 im Gewebe. Veränderungen von zerebralem Oxy- und Desoxyhämoglobingehalt und der daraus abgeleiteten Parameter reflektieren vor allem den venösen Sauerstoffstatus des Gehirns. Sie können ein früher und sensitiver Indikator für eine zerebrale Hypoxie sein. Der Redoxzustandes von Cytochrom a/a3 gibt als Korrelat des zerebralen Energiezustandes Hinweise auf ein kritisches Sauerstoffdefizit. Ziel der Untersuchung. In der experimentellen und klinischen Studie sollten mit einem kommerziell erhältlichen Gerät die Eignung der NIRS zur Überwachung des zerebralen Sauerstoffstatus während Anästhesie und Intensivtherapie bei Hund und Katze, die Messqualität, die auftretenden technischen Probleme und die darstellbaren Ereignisse geprüft werden. In der experimentellen Studie sollten die Veränderungen der zerebralen Oxygenierung und des Redoxzustandes von Cytochrom a/a3 nach verschiedenen zur Narkoseeinleitung beim Hund etablierten Protokollen sowie nach deren Antagonisierung ebenso untersucht werden wie der Zusammenhang der mittels NIRS erfassten Parameter mit denen des pulmonalen Gaswechsels und der Herz-Kreislauf-Funktion. Material und Methoden. In der klinischen Studie wurden Daten von 33 Hunden und 4 Katzen während Anästhesie oder Intensivüberwachung aufgezeichnet. Die experimentelle Studie wurde an 84 Foxhounds und 32 Beagle mit einem mittleren Alter von 12,96 Monaten (STD 13,42; 6,33–94,43 Monate) und einer mittleren Körpermasse von 24,76 kg (STD 6,6; 12,7–43 kg) durchgeführt, die zufällig auf vier Versuchsgruppen verteilt wurden. Die Sensorapplikation erfolgte in beiden Studien in Höhe der Ohrbasis auf geschorener Haut. Versuchsgruppen und –ablauf der experimentellen Studie: Gruppe Acepromazin/l-Methadon(AM): Narkoseeinleitung 0,1 mg/kg KM Acepromazin und 0,5 mg/kg KM l-Methadon i.v., keine weitere Erhaltung Gruppe Diazepam/l-Methadon(DM): 0,5 mg/kg KM Diazepam und 0,5 mg/kg KM l-Methadon i.v., keine weitere Erhaltung Gruppe Medetomidin/l-Methadon(MM): 40 mikrog/kg KM Medetomidin und 0,5 mg/kg KM l-Methadon i.v., keine weitere Erhaltung Propofol(P): Einleitung 0,1 mg/kg KM Propofol i.v., Erhaltung in dieser Gruppe 0,3 mg/kg/min Propofol i.v. In den Gruppen AM, DM und MM Antagonisierung 8 mikrog/kg KM Naloxon i.v. 30 min nach Einleitung, in der Gruppe MM zusätzlich 200 mikrog/kg KM Atipamezol i.v. 5 min später Kontinuierliche Überwachung von Herzfrequenz, EKG, Temperatur, invasiver Blutdruck,Pulsoxymetrie, Nah-infrarot-Spektroskopie. Blutgasanalyse 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30 min nach Einleitung, 0, 2, 7 min nach Antagonisierung/Propofol-Ende Ergebnisse. Die Nah-infrarot-Spektroskopie ist prinzipiell bei Hund und Katze anwendbar, nicht jedoch bei schwarzhaarigen Tieren. Hauptprobleme sind Sensorbefestigung, Bewegungsartefakte und mangelnde Signalqualität. In der experimentellen Studie besteht im Mittel zu 80 % der ausgewerteten Zeit eine gute Messqualität. 14 % der Messungen sind ohne Störung, bei 17 % tritt in mehr als 50 % der Messzeit eine Störmeldung auf. Vor Narkoseeinleitung beträgt die regionale zerebrale Sauerstoffsättigung etwa 65 % (n=109, STD 7 %). Schon 1 Minute nach Einleitung bestehen signifikante Gruppenunterschiede. In Gruppe P steigt die zerebrale regionale Sauerstoffsättigung um etwa 8 %, sie fällt in Gruppe AM um 5 %, in Gruppe DM um bis zu 10 %, in Gruppe MM um maximal 20 % auf etwa 48 %, im weiteren Verlauf verweilt sie annähernd auf diesem Niveau. Zerebraler Oxy- und Desoxyhämoglobingehalt verhalten sich entsprechend. Der zerebrale Gesamthämoglobingehalt zeigt keine Gruppenunterschiede. Nach Antagonisierung erfolgt eine Änderung auf die Ausgangswerte vor Narkose ebenso prompt. Narkoseeinleitung und Antagonisierung haben keinen Effekt auf den Redoxzustand von Cytochrom a/a3. Korrelationen der zerebralen Oxygenierung mit arteriellem Sauerstoffstatus und Kohlendioxidpartialdruck bestehen. Eine periodische Atmung und eine Erhöhung des intraabdominellen Drucks spiegeln sich in parallelen Schwankungen der NIRS-Parameter wider. Die Auswirkungen von wechselnder Narkosetiefe, Erwachen, Hypoxie, Hyperventilation, Adrenalin, Pentobarbital, Herz-Kreislauf-Stillstand auf die NIRS-Parameter können dargestellt werden. Bewegungsartefakte stören häufig die Überwachung von Intensivpatienten. Bei Hunden mit Schädel-Hirn-Trauma ist die Signalqualität der limitierende Faktor. Diskussion. Die Nutzung eines für die Anwendung am Menschen bestimmten Gerätes bedingt aufgrund des spezifischen Weglängenfaktors einen Fehler unbekannter Bedeutung. Die zerebrale Messung konnte gesichert werden, der mögliche extrazerebrale Signalanteil bleibt unbekannt. Die nicht mögliche Nutzung bei schwarzen Tieren und die Artefaktanfälligkeit schränken den Wert der NIRS ein. Die ermittelten Störindizes sind stark methodisch beeinflusst, so dass ihre Beurteilung kritisch erfolgen sollte. Die NIRS ist geeignet, die durch Narkoseeinleitung und Antagonisierung beim Hund verursachten Veränderungen der zerebralen Oxygenierung aufzuzeigen. Eine Abnahme der regionalen zerebralen Sauerstoffsättigung um etwa 20 % (Gruppe MM) über die gesamte Messdauer scheint von klinischer Relevanz. Werte in dieser Höhe werden als Indiz einer kritischen zerebralen Sauerstoffversorgung beurteilt. Parallele Verläufe, positive Zusammenhänge mit dem arteriellen Sauerstoffstatus und negative zum Kohlendioxidpartialdruck zeigen ebenso wie die Effekte der Antagonisierung den entscheidenden Einfluss der Anästhetikabedingten Atemdepression auf den vaskulären zerebralen Sauerstoffstatus. Die mangelnde Reduktion von Cytochrom a/a3 deutet auf das Fehlen einer Störung der intrazellulären Sauerstoffversorgung hin. Die Reaktion der NIRS-Parameter auf eine Narkosekomplikation erfolgt schnell, jedoch unspezifisch, eine Interpretation ist nur in Zusammenhang mit anderen Parametern möglich. Die Beurteilung des Redoxzustandes von Cytochrom a/a3 erscheint schwierig, messtechnische Probleme sind nicht ausgeschlossen. Trotz aller messtechnischen und anwendungsbedingten Probleme wird die NIRS als Bereicherung der Überwachungsmöglichkeiten bei Hund und, sehr eingeschränkt, auch bei der Katze beurteilt. Sie eröffnet erstmals die Möglichkeit, die Auswirkungen von in der klinischen Routine eingeführten Verfahren auf die zerebrale Oxygenierung darzustellen. / ON NEAR-INFRARED-SPECTROSCOPY IN DOG AND CAT - EXPERIMENTAL AND CLINICAL STUDY ON PERIOPERATIVE MONITORING AS WELL AS EFFECTS OF ANAESTHESIA ON CEREBRAL OXYGEN STATUS Alef, Michaele Department of Small Animal Medicine, Faculty of Veterinary Medicine, University of Leipzig Habilitation thesis, 4. Dezember 2002 Near-Infrared-spectroscopy (NIRS) is a method to determine continuously and non-invasively the content of oxy- and deoxyhemoglobin as well as the redox status of cytochrome a/a3 in tissue via absorption changes of near-infrared light. Variations in cerebral content of oxy- and deoxyhemoglobin and parameters derived thereof reflect above all the venous oxygen status of the brain and may thus serve as an early and sensitive indicator of cerebral hypoxia. The redox status of cytochrome a/a3 correlates with the cerebral energy status and may thus serve as an indicator of a critical oxygen deficit. Aim of the study. The study was aimed at assessing in dogs and cats the suitability of NIRS and of an equipment used in human medicine for monitoring the cerebral oxygen status during anaesthesia and intensive therapy. The quality of the measurements, technical problems and the achievable results should be critically checked in experimental and clinical situations. Changes of cerebral oxygenation and of the redox status of cytochrome a/a3 with different established protocols of anaesthesia in dogs and after antagonising had to be investigated in the experimental study as well as well as relationships between parameters obtainable with NIRS and those of pulmonary gas exchange and cardiovascular function. Materials and methods. During the clinical study data from 33 dogs and 4 cats were recorded during anaesthesia and intensive supervision. The experimental investigations were performed with 84 foxhounds and 32 Beagles with a mean age of 12,96 months (STD 13,42; range 6,33–94,43) and a mean weight of 24.76 kg (STD 6.6, range 12.7–43), which were distributed at random into four experimental groups. Sensors were applied near the ear base on shaved skin. Experimental groups and design. Group Acepromazine/l-Methadone(AM): INduction 0.1 mg/kg BW Acepromazine and 0.5 mg/kg BW l-Methadonr i.v., no additional maintenance Group Diazepam/l-Methadone(DM): 0.5 mg/kg BW Diazepam and 0.5 mg/kg BW l-Methadone i.v., no additional maintenance Group Medetomidine/l-Methadone(MM): 40 mikrog/kg BW Medetomidine and 0.5 mg/kg BW l-Methadone i.v., no additional maintenance Group Propofol(P): Induction 0.1 mg/kg BW Propofol i.v., Maintenance 0.3 mg/kg/min Propofol i.v. In groups AM, DM und MM antagonization of the opioide with 8 mikrog/kg BW Naloxone i.v. 30 min after induction, in group MM 200 mikrog/kg BE Atipamezole i.v. 5 min later Continuos Monitoring of heart rate, ECG, temperature, invasive blood pressure,pulse oxymetry, near-infrared-spectroscopy. Blood gas analysis 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30 min post induction and 0, 2, 7 min post Naloxone/end of infusion. Results. NIRS is in principle applicable in dogs and cats but not, however, in black-haired animals. The main problems are the application of the sensor, movement artefacts and poor quality of the measurement signals. In the experimental study good measurement quality could be obtained in on average 80% of the investigation time, 14% of the recordings are without disturbance, in 17% disturbances are recorded in more than 50% of the investigation time. Before the start of anaesthesia the regional cerebral oxygen saturation amounts to about 65% (n=109, STD 7%). Already one minute after the beginning of anaesthesia significant differences between groups are found: In group P the regional cerebral oxygen saturation increases by about 8% while it decreases in group AM by 5%, in group DM by up to 10% and in group MM by maximally 20% to a value of about 48% where it remains roughly during the following time. Cerebral oxy- and deoxyhemoglobin content display an analogous behaviour. There are no inter-group differences in total cerebral hemoglobin content. After antagonising the initial values before the start of anaesthesia are rapidly attained again. Start of anaesthesia and antagonising do not show any influences on the redox status of cytochrome a/a3 while there are correlations between the cerebral oxygenation and the arterial oxygen status and the partial pressure of carbon dioxide. Periodic breathing and an increase of the intra-abdominal pressure are mirrored by variations of the NIRS-parameters, The effects of changing depth of anaesthesia, waking up, hypoxia, hyperventilation, adrenaline, pentobarbital and circulatory arrest can be demonstrated by the NIRS-parameters. Movement artefacts frequently interfere with the monitoring of intensive patients. The signal quality is frequently not sufficient in dogs with severe head trauma. Discussion. The direct application of factors established in humans leads to poorly defined errors. For cerebral measurements the applicability of the method could be confirmed, the possible contribution of extracerebral signals, however, remains unknown. The fact that black-haired animals cannot be investigated and proneness to artefacts limit the value of NIRS. Determined disturbance indices depend strongly on the methods used and should be seen critically. NIRS is suitable to give an indication of changes of cerebral oxygenation caused by the start of anaesthesia and antagonising. A decrease of about 20% in the regional cerebral oxygen saturation during the total measurement time (group MM) appears to be of clinical relevance. Values in this range are taken to be indicative of a critical cerebral oxygen supply. Parallelisms and positive correlations with the arterial oxygen status as well as negative correlations with carbon dioxide partial pressure and the effects of antagonising demonstrate the decisive influence of anaesthesia-related depression of breathing on the vascular cerebral oxygen status. The lack of cytochrome a/a3 reduction indicates that the intracellular oxygen supply is not disturbed. The reaction of NIRS-parameters on the start of anaesthesia is fast, but unspecific, and a meaningful interpretation is only possible in conjunction with other parameters. The evaluation of cytochrome a/a3 redox status appears to be difficult, and technical problems with the measurement cannot be excluded. In spite of these limitations in terms of measurements and applicability NIRS can be judged as a valuable addition for the clinical observation of dogs, less so with cats. The method opens for the first time the possibility to monitor the influence of clinical routines on cerebral oxygenation.

<p>Cardiovascular disease (CVD) is the leading cause of death worldwide and is expected to increase direct medical costs in the U.S. to $749 billion by the year 2035. Diagnosis of CVD through imaging techniques can improve our understanding of CVD progression and its associated risks through visualization of anatomical features and biological constituents. Non-invasive imaging relies on optimal image quality for visualization of such tissue structures that can be difficult to identify and segment. While various imaging modalities are used to determine tissue characteristics, many lack the spatial resolution that optics-based imaging can provide, which can assess hemodynamic parameters in preclinical models of ischemic disease. Acoustic-based imaging can complement optics-based imaging by providing anatomical and location-specific information of tissues with greater penetration depth. Even with all the advancements in imaging technology, however, limitations still exist in non-invasively, efficiently, and accurately capturing biologically relevant information with adequate spatial and temporal resolution. Furthermore, reproducible feature extraction is difficult due to a lack of standardization in the field, making it difficult to implement when image quality varies. In this work, we implement spatial frequency domain imaging (SFDI), ultrasound, and photoacoustic imaging in preclinical models of 1) peripheral artery disease, 2) traumatic brain injury, and 3) myocardial ischemia to capture imaging biomarkers of vascular and cardiac health in longitudinal studies. We also implement deep learning on preclinical ultrasound and photoacoustic images of the cardiac left ventricle to automatically extract regions of interest to calculate radial strain and oxygen saturation. Eventually findings from this work may help improve clinical cardiovascular disease diagnosis, prognosis, and treatment.</p>

Thèse de doctorat présentée en vue de l'obtention du doctorat en psychologie - recherche intervention, option neuropsychologie clinique (Ph.D). / Les cardiopathies congénitales, c’est-à-dire les anomalies de la structure du cœur ou des vaisseaux sanguins, constituent les malformations les plus fréquentes à la naissance. Considérant la prévalence des altérations cérébrales, des retards de développement et des déficits cognitifs qui leur sont associés, les cardiopathies congénitales sont reconnues comme une problématique de santé publique. Plusieurs questions méritent d’être étudiées pour mieux comprendre les conséquences neurodéveloppementales de ces malformations et identifier les mécanismes d’action qui en sont à l’origine. Dans ce contexte, la présente thèse vise à documenter le fonctionnement cérébral et le développement moteur et langagier des enfants présentant une cardiopathie congénitale complexe, ainsi qu’à identifier des facteurs de prévention et des pistes d’intervention pour améliorer leur pronostic neurodéveloppemental. Cette thèse est composée d’une revue de littérature et de quatre études empiriques. Le premier article avait pour objectif de recenser les principales données scientifiques disponibles dans la littérature, afin d’obtenir une vision intégrée des fonctions cognitives potentiellement affectées dans cette population et des facteurs qui en augmentent le risque. Le deuxième article visait à documenter les patrons de connectivité fonctionnelle des nourrissons de quatre mois ayant subi une chirurgie cardiaque correctrice, à l’aide de la spectroscopie proche infrarouge. Nos données de neuroimagerie révèlent une connectivité inférieure chez les participants avec malformation cardiaque comparativement aux contrôles, ce qui suggère la présence d’altérations du fonctionnement cérébral après la chirurgie cardiaque. Par ailleurs, nos résultats nous amènent à supposer que les régions frontales présenteraient un risque accru de dysfonctionnement, tandis que la connectivité fonctionnelle entre les régions temporales pourrait être préservée. L’objectif du troisième article était de décrire le développement de la motricité globale entre 4 et 24 mois dans cette population. Nos données révèlent une augmentation significative des performances motrices avec l’âge, et ce, particulièrement pour le groupe d’enfants ayant bénéficié d’interventions régulières en physiothérapie. Ceci suggère que l’intervention motrice pourrait améliorer le développement de la motricité globale chez les enfants à risque de retard moteur. Le quatrième article visait à décrire le développement du langage, entre 12 et 24 mois, chez les enfants présentant une cardiopathie congénitale complexe et à explorer les associations entre les habiletés de communication précoces et les capacités langagières futures. Les résultats de cette étude suggèrent une vulnérabilité spécifique des habiletés langagières expressives, comparativement aux compétences réceptives, et indiquent que les habiletés de communication gestuelle à 12 mois constituent un fort prédicteur du développement langagier futur. Enfin, le cinquième article avait pour objectif d’évaluer l’impact d’un programme développemental sur le fonctionnement moteur, cognitif et comportemental des enfants avec malformation cardiaque âgés de trois ans. Les résultats de cette étude suggèrent, pour la première fois, les potentiels bénéfices d’un tel programme sur le développement du vocabulaire réceptif et des compétences visuoconstructives. Ensemble, les résultats de cette thèse contribuent aux connaissances scientifiques sur le neurodéveloppement des enfants présentant une cardiopathie congénitale. Nos travaux permettent, en effet, de mieux comprendre le développement cognitif, moteur et langagier de ces enfants et fournissent des pistes concrètes pour une meilleure prévention des difficultés langagières et motrices dans cette population. Par ailleurs, ils soulignent la pertinence des études de neuroimagerie fonctionnelle pour comprendre les mécanismes d’action à l’origine de ces conséquences neurodéveloppementales, et ainsi, favoriser le développement de ces enfants. / Congenital heart disease, defined as a problem that affects the structure of the heart, constitutes the world’s most common birth defect. Given the prevalence of brain abnormalities, developmental delays and cognitive impairments associated with these defects, congenital heart diseases are recognized as a public health issue. Several questions remain to be investigated for a better understanding of the resulting neurodevelopmental complications, and to identify its specific mechanisms of action. This thesis aims to document the brain function and the development of motor and language skills of young children with complex congenital heart disease, and to identify preventive factors and avenues of intervention to improve their neurodevelopmental issue. This thesis includes a literature review and four empirical studies. The first article aimed to review the current knowledge, to get an overall view of cognitive disabilities that result from a congenital heart disease and the clinical factors that increase this risk. The goal of the second article was to investigate brain functional connectivity in 4-month-old infants with repaired congenital heart disease, using near-infrared spectroscopy. This neuroimaging study reveals reduced connectivity strength in infants with congenital heart disease compared to healthy controls, which suggests that alterations of brain functional connectivity persist after corrective cardiac surgery. Furthermore, our data lead us to hypothesize that functional connectivity in homologous temporal regions might be preserved in patients with congenital heart defect, while connectivity involving frontal regions might be at increased risk for dysfunction. The third study aimed to document the gross motor development in children with complex congenital heart disease aged 4 to 24 months. Our data revealed an increase in gross motor scores with age, and this, particularly for children who received regular motor intervention sessions. These results suggest that physical therapy may help to improve gross motor skills in children at risk of motor delay. The aim of the fourth article was to describe the language development, from 12 to 24 months of age, in children born with a heart disease, and to explore the relationship between early language performances and future language skills. The results of this study suggest that language impairments prominently affect expressive skills, rather than receptive skills, and indicate that early communicative gestures constitute a strong predictor of later language skills. Finally, the goal of the fifth article was to assess the impacts of a neurocardiac developmental follow-up program on motor, cognitive and behavioral functioning of 3-year-old children with congenital heart defect. This study suggests, for the first time, the potential benefits of such program on language receptive and visuospatial skills. This thesis significantly contributes to the scientific knowledge on neurodevelopment of children born with a congenital heart disease. The results of our studies allow a better description of the cognitive, motor and language development in this population, and provide interesting avenues for a better prevention of language and motor impairments. Furthermore, these results underline the relevance of functional neuroimaging studies for the understanding of mechanisms that result in neurodevelopmental disabilities and, therefore, the improvement of these children’s development.

Time-Resolved diffuse optics is a powerful and safe technique to quantify the optical properties (OP) for highly scattering media such as biological tissues. The OP values are correlated with the compositions of the measured objects, especially for the tissue chromophores such as hemoglobin. The OP are mainly the absorption and the reduced scattering coefficients that can be quantified for highly scattering media using Time-Resolved Diffuse Optical Spectroscopy (TR-DOS) systems. The OP can be retrieved using Time-Resolved Diffuse Optical Imaging (TR-DOI) systems to reconstruct the distribution of the OP in measured media. Therefore, TR-DOS and TR-DOI can be used for functional monitoring of brain and muscles, and to diagnose some diseases such as detection and localization for breast cancer and blood clot. In general, TR-DOI systems are non-invasive, reliable, and have a high temporal resolution. TR-DOI systems have been known for their complexity, bulkiness, and costly equipment such as light sources (picosecond pulsed laser) and detectors (single photon counters). Also, TR-DOI systems acquire a large amount of data and suffer from the computational cost of the image reconstruction process. These limitations hinder the usage of TR-DOI for widespread potential applications such as clinical measurements. The goals of this research project are to investigate approaches to eliminate two main limitations of TR-DOI systems. First, building TR-DOS systems using custom-designed free-running (FR) and time-gated (TG) SPAD detectors that are fabricated in low-cost standard CMOS technology instead of the costly photon counting and timing detectors. The FR-TR-DOS prototype has demonstrated comparable performance (for homogeneous objects measurements) with the reported TR-DOS prototypes that use commercial and expensive detectors. The TG-TR-DOS prototype has acquired raw data with a low level of noise and high dynamic range that enable this prototype to measure multilayered objects such as human heads. Second, building and evaluating TR-DOI prototype that uses a computationally efficient algorithm to reconstruct high quality 3D tomographic images by analyzing a small part of the acquired data. This work indicates the possibility to exploit the recent advances in the technologies of silicon detectors, and computation to build low-cost, compact, portable TR-DOI systems. These systems can expand the applications of TR-DOI and TR-DOS into several fields such as oncology, and neurology. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

Ce mémoire est séparé en deux volets, tous deux axés sur la spectroscopie proche infra-rouge (NIRS) pour la quantification des paramètres hémodynamiques. La NIRS est principalement basée sur la mesure des coefficients d'absorption (μa) et de dispersion (μs’) des tissus afin de retrouver les concentrations d'oxy- et de déoxyhémoglobine dans le sang. L'imagerie à l'aide de la NIRS est basée sur le parcours des photons à travers le tissu biologique à différentes longueurs d'onde du spectre proche infra-rouge. Le premier appareil de NIRS dont il sera question est un appareil de spectroscopie résolue dans le temps. Ce type de système retrouve des concentrations absolues d'hémoglobine à l'aide d'un bandeau placé sur la peau d’un sujet, dans ce cas-ci sur le front. Le modèle d’analyse des données permet la séparation des contributions extra-cérébrales et cérébrales aux données. Cette méthode fournit des données plus exactes sur la saturation en oxygène du cerveau, par rapport à un modèle homogène où le signal est contaminé par les couches superficielles. Une étude sur les changements hémodynamiques cérébraux de jeunes adultes pendant une activité physique a été réalisée, et l’article en détaillant les résultats est transcrit au chapitre 2. Le chapitre 3 comprend un retour sur cette étude et aborde les possibilités de travaux futurs. La seconde partie de mes travaux s’est déroulée sous forme de stage en entreprise durant l’été 2016. Sous la supervision de Dennis Hueber, Ph. D., et Beniamino Barbieri, Ph. D., j’ai effectué des recherches portant sur un appareil de NIRS manufacturé par la compagnie ISS Inc. et dont un prototype se trouve actuellement dans le laboratoire de mon superviseur Mathieu Dehaes, Ph. D. Cet appareil combine deux modalités d’imagerie optique, soit la NIRS dans le domaine des fréquences et la spectroscopie de corrélation diffuse. Le chapitre 4 détaille les tâches que j’ai réalisées durant ce temps, de même que les résultats des analyses que j’ai effectuées. / This master’s thesis is separated in two phases, both focused on near infrared spectroscopy for the quantification of hemodynamic parameters. NIRS is based on the measure of absorption (μa) and scattering (μs’) coefficients of tissues in order to recover the oxy- and deoxyhemoglobin concentrations in the blood. Its results are based on the photon propagation in tissue at different near-infrared wavelengths. The first NIRS system used during my studies is a time-resolved spectroscopy system. This device allowed us to retrieve absolute hemoglobin concentrations using a headband placed over the subject’s skin and centered on their forehead. The data analysis model which we used allowed us to separate extra-cerebral and cerebral contributions of the signal. This method yielded quantitative absolute measures of cerebral oxygen saturation as opposed to the traditional homogenous model where the signal is contaminated by superficial layers. A study on cerebral hemodynamic changes in young adults during exercise was conducted, and the published article detailing its results is transcribed in Chapter 2. Chapter 3 includes a review of this study and discusses potential future works. The second part of my research consisted in an industrial internship during the summer of 2016. Under the supervision of Dennis Hueber, Ph. D., and Beniamino Barbieri, Ph. D., I have worked on a NIRS device manufactured by ISS Inc., a prototype of which is currently in the laboratory of my supervisor Mathieu Dehaes, Ph. D. This device combines two NIRS modalities: frequency-domain NIRS and diffuse correlation spectroscopy. Chapter 4 details the work I have performed at ISS and the results of my research and analysis.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Pour la plupart des gens, la lecture est une activité automatique, inhérente à leur vie quotidienne et ne demandant que peu d’effort. Chez les individus souffrant d’épilepsie réflexe à la lecture, le simple fait de lire déclenche des crises épileptiques et les personnes doivent alors renoncer à la lecture. Les facteurs responsables du déclenchement de l’activité épileptique dans l’épilepsie réflexe à la lecture demeurent encore mal définis. Certains auteurs suggèrent que le nombre ainsi que la localisation des pointes épileptiques seraient en lien avec la voie de lecture impliquée. Des études en imagerie cérébrale, menées auprès de populations sans trouble neurologique, ont dévoilé que la lecture active un réseau étendu incluant les cortex frontaux, temporo-pariétaux et occipito-temporaux bilatéralement avec des différences dans les patrons d’activation pour les voies de lecture lexicale et phonologique. La majorité des études ont eu recours à des tâches de lecture silencieuse qui ne permettent pas d'évaluer la performance des participants. Dans la première étude de cette thèse, qui porte sur une étude de cas d'un patient avec épilepsie réflexe à la lecture, nous avons déterminé les tâches langagières et les caractéristiques des stimuli qui influencent l'activité épileptique. Les résultats ont confirmé que la lecture était la principale tâche responsable du déclenchement de l’activité épileptique chez ce patient. En particulier, la fréquence des pointes épileptiques était significativement plus élevée lorsque le patient avait recours au processus de conversion grapho-phonémique. Les enregistrements électroencéphalographiques (EEG) ont révélé que les pointes épileptiques étaient localisées dans le gyrus précentral gauche, indépendamment de la voie de lecture. La seconde étude avait comme objectif de valider un protocole de lecture à voix haute ayant recours à la spectroscopie près du spectre de l’infrarouge (SPIR) pour investiguer les circuits neuronaux qui sous-tendent la lecture chez les normo-lecteurs. Douze participants neurologiquement sains ont lu à voix haute des mots irréguliers et des non-mots lors d’enregistrements en SPIR. Les résultats ont montré que la lecture des deux types de stimuli impliquait des régions cérébrales bilatérales communes incluant le gyrus frontal inférieur, le gyrus prémoteur et moteur, le cortex somatosensoriel associatif, le gyrus temporal moyen et supérieur, le gyrus supramarginal, le gyrus angulaire et le cortex visuel. Les concentrations totales d’hémoglobine (HbT) dans les gyri frontaux inférieurs bilatéraux étaient plus élevées dans la lecture des non-mots que dans celle des mots irréguliers. Ce résultat suggère que le gyrus frontal inférieur joue un rôle dans la conversion grapho-phonémique, qui caractérise la voie de lecture phonologique. Cette étude a confirmé le potentiel de la SPIR pour l’investigation des corrélats neuronaux des deux voies de lecture. Une des retombées importantes de cette thèse consiste en l’utilisation du protocole de lecture en SPIR pour investiguer les troubles de la lecture. Ces investigations pourraient aider à mieux établir les liens entre le fonctionnement cérébral et la lecture dans les dyslexies développementales et acquises. / For most people, reading is a smooth, automatic activity that is part of their everyday life. For individuals suffering from reflex reading epilepsy, this simple activity triggers seizures and these individuals have no other alternatives than to stop reading. The factors responsible for triggering epileptic activity in reflex reading epilepsy remain unspecified. Some authors suggest that the number and the localization of spikes would vary according to the reading pathway. Cerebral imaging studies conducted in populations without neurological disorders have revealed that reading involves an extensive cerebral network including the frontal, temporo-parietal and occipito-temporal regions bilaterally, with differences in activation patterns for the lexical and the phonological reading pathways. Most studies have resorted to silent reading tasks that do not allow researchers to assess the performance of the participants. In the first study in this dissertation, we determined the language tasks and characteristics of the stimuli that influenced epileptic activity in a patient with primary reading epilepsy. The results confirmed that reading was the language task responsible for triggering most of the epileptic activity in this patient. More specifically, spike frequency was significantly higher when the patient read the stimuli by resorting to the grapheme-to-phoneme conversion mechanisms. The electroencephalography (EEG) recordings revealed that spikes were located in the left precentral gyrus for both reading pathways. The second study aimed at developing and validating a protocol using near-infrared spectroscopy (NIRS) to investigate the neural correlates of reading aloud in competent readers. Twelve adults without reading impairments or neurological disorders read aloud irregular words and nonwords during NIRS recordings. The results showed that irregular word and nonword reading involved common bilateral cerebral regions that included the inferior frontal gyrus, the premotor and motor gyri, the somatosensory supplementary cortex, the middle and superior temporal gyri, the supramarginal gyrus, the angular gyrus, and the visual cortex. The total hemoglobin concentrations (HbT) measured in the bilateral inferior frontal gyri were higher when participants read nonwords than when they read irregular words. This finding indicates that the inferior frontal gyri play a role in the grapheme-to-phoneme conversion mechanism, mostly involved in the phonological reading pathway. This study confirms the potential of NIRS in investigating the neural correlates of the two reading pathways. A significant outcome of this dissertation is that NIRS constitutes an excellent technique in studying reading aloud. Further NIRS investigations in reading should help determine the neural correlates of reading in children and adults with developmental and acquired dyslexia.

Das Wortlernen begleitet unser Leben von der Kindheit bis ins Alter. Kleinkinder lernen ihre Muttersprache(n), aber auch Erwachsene lernen neue Wörter, z.B. beim Fremdspracherwerb. Unter gewissen Umständen muss eine neue Sprache wieder erlernen werden, wie z.B. nach einer Gehirnläsion. Wie meistert unser Gehirn diese herausfordernden Wortlernsituationen? Um die Neuroplastizität des Wortlernens zu untersuchen, wurden unterschiedliche neurowissenschaftliche Methoden (Elektroenzephalographie, funktionelle Nahinfrarotspektroskopie, voxel-basierte Läsion-Verhalten/EEG Mapping), teilweise in Kombination, bei Kleinkindern, Kindern und Erwachsenen sowie Patienten mit einer Gehirnläsion im Vergleich zu älteren Kontrollprobanden angewendet. 5 Experimente untersuchten die neuronale Verarbeitung von Pseudowörtern, welche mutter- und fremdsprachlichen phonotaktischen Regeln (d.h. die Kombination von verschiedenen Phonemen) folgten, in unterschiedlichen Lernsettings bei monolingualen Teilnehmern. Gesunde Erwachsene aber auch 6monatige und ältere Teilnehmer und Patienten konnten diese Regeln differenzieren. Beteiligte Gehirnareale umfassten ein links-hemisphärisches fronto-temporales Netzwerk. Die Verarbeitung universeller Spracheigenschaften, andererseits, zeigte sich in parietalen Regionen. Während Erwachsene eine klare Dominanz der linken Hemisphäre aufwiesen, nutzten 6monatige noch beide Gehirnhälften. Unterschiedliche Sprachtrainings (semantische Trainings oder Passives Zuhören) an drei aufeinanderfolgenden Tagen veränderten auch die Gehirnaktivität der Kleinkinder und der Erwachsenen und wiesen auf eine erhöhte Lernflexibilität hin. Im 6. Experiment lernten 5jährige bilinguale Kinder anhand pragmatischer Eigenschaften neue Adjektive und zeigten effizientere neuronale Mechanismen als Monolinguale. Die Ergebnisse unterstreichen die Wichtigkeit multi-methodologischer Ansätze, um genauere Einblicke in die komplexen Mechanismen der Neuroplastizität zu erlangen. / Word learning accompanies our everyday life from infancy to advanced age. Infants have to learn the native language(s) but also during adulthood word learning can take place, for example if we learn a new foreign language. Sometimes people are confronted with a situation in which they have to re-learn a language because of a brain lesion. How does the brain master these challenging word learning settings? To assess neuroplasticity of word learning several neuroscientific methods (electroencephalography, functional near-infrared spectroscopy, voxel-based lesion-behavior/EEG mapping), partially in combination, were used in infants, children, and adults as well as in patients suffering from a brain lesion compared to matched elderly controls. In 5 experiments neuronal processing of pseudowords corresponding to native and non-native phonotactic rules (i.e., the combination of different phonemes) was investigated under different learning conditions in monolingual participants. Healthy adults but also 6-month-old infants and elderly subjects and patients were able to differentiate these rules. Involved brain areas included a left-hemispheric network of fronto-temporal regions. When processing universal linguistic features, however, more parietal regions were involved. While adults revealed a clear left-dominant network, 6-month-olds still recruited bilateral brain areas. Differential language trainings (semantic or passive listening trainings) over three consecutive days also modulated brain activation in both infants and adults suggesting a high flexibility for learning native and non-native linguistic regularities. In a 6th experiment, bilingual 5-year-old children learned novel adjectives by means of pragmatic cues and revealed more efficient neuronal mechanisms compared to monolingual children. Findings underline the importance of multi-methodological approaches to get clearer insights into the complex machinery of neuroplasticity.

A estimulação elétrica periférica (PES), que abrange diversas técnicas com respostas fisiológicas diversas, tem apresentado em alguns casos resultados clínicos promissores para o tratamento da dor e reabilitação clínica. No entanto, as respostas encontradas são heterogêneas, principalmente porque há uma falta de compreensão em relação ao seu mecanismo de ação. Neste estudo, buscamos avaliar os efeitos da PES através da medição da ativação cortical cerebral utilizando a espectroscopia funcional por infravermelho (fNIRS). A fNIRS é um método de imagem óptica funcional que avalia mudanças hemodinâmicas nas concentrações de hemoglobina oxigenada (HbO) e desoxigenada (HbR), relacionadas à atividade cortical. Nós hipotetizamos que a PES do nervo acessório espinal (ASN) pode promover a ativação do córtex motor (MC) e do córtex pré-frontal dorsolateral (DLPFC), relacionados ao processamento da dor. Quinze voluntários saudáveis receberam estimulação elétrica ativa e sham em um ensaio clínico randomizado cruzado. A resposta hemodinâmica à estimulação elétrica unilateral direita do nervo acessório com 10 Hz foi medida pela espectroscopia funcional por um sistema de 40 canais. A variação de HbO nas áreas corticais de interesse mostrou ativação do DLPFC direito (p=0,025) e do MOTOR esquerdo (p=0,042) no grupo ativo comparado com sham. Em relação ao DLPFC esquerdo (p=0,610) e ao MOTOR direito (p=0,154), não houve diferença estatística entre os grupos. Como na modulação top-down, a estimulação bottom-up do nervo acessório parece ativar as mesmas áreas corticais, relacionadas às dimensões sensório-discriminativas e afetivo-motivacionais da dor. Esses resultados fornecem evidência adicional para desenvolver e otimizar o uso clínico da estimulação elétrica periférica. / Peripheral electrical stimulation (PES), which encompasses several techniques with heterogeneous physiological responses, has shown in some cases remarkable outcomes for pain treatment and clinical rehabilitation. However, results are still mixed, mainly because there is a lack of understanding regarding its neural mechanisms of action. In this study, we aimed to assess its effects by measuring cortical activation as indexed by functional near infrared spectroscopy (fNIRS). fNIRS is a functional optical imaging method to evaluate hemodynamic changes in oxygenated (HbO) and de-oxygenated (HbR) blood hemoglobin concentrations in cortical capillary networks that can be related to cortical activity. We hypothesized that PES of accessory spinal nerve (ASN) can promote cortical activation of motor cortex (MC) and dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) pain processing cortical areas. Fifteen healthy volunteers received both active and sham ASN electrical stimulation in a crossover design. The hemodynamic response to unilateral right ASN burst electrical stimulation with 10 Hz was measured by a 40- channel fNIRS system. The effect of ASN electrical stimulation over HbO concentration in cortical areas of interest was observed through the activation of right- DLPFC (p=0.025) and left-MOTOR (p=0.042) in the active group but not in sham group. Regarding left-DLPFC (p=0.610) and right-MOTOR (p=0.174) there was no statistical difference between groups. As in non-invasive brain stimulation (NIBS) topdown modulation, bottom-up electrical stimulation to the accessory spinal nerve seems to activate the same critical cortical areas on pain pathways related to sensorydiscriminative and affective-motivational pain dimensions. These results provide additional mechanistic evidence to develop and optimize the effects of peripheral neural electrical stimulation.

La Tomographie Optique Diffuse (TOD) est désormais une modalité d’imagerie médicale fonctionnelle reconnue. L’une des applications les plus répandues de cette technique est celle de l’imagerie fonctionnelle cérébrale chez l’Homme. En effet, cette technique présente de nombreux avantages, notamment grâce à la richesse des contrastes optiques accessibles. Néanmoins, certains verrous subsistent et freinent le développement de son utilisation, spécialement pour des applications chez l’Homme adulte en clinique ou dans des conditions particulières comme lors du suivi de l’activité sportive. En effet, le signal optique mesuré contient des informations venant de différentes profondeurs de la tête, et donc de différents types de tissus comme la peau ou le cerveau. Or, la réponse d’intérêt étant celle du cerveau, la réponse de la peau peut dégrader l’information recherchée. Dans ce contexte, ces travaux portent sur le développement d’un nouvel instrument de TOD permettant d’acquérir les dimensions spatiale, spectrale et de temps de vol du photon de façon simultanée, et ce à haute fréquence d’acquisition. Au cours de cette thèse, l’instrument a été développé et caractérisé sur fantôme optique. Ensuite, il a été validé in-vivo chez l’Homme adulte, notamment en détectant l’activité du cortex préfrontal en réponse à une tâche de calcul simple. Les informations multidimensionnelles acquises par notre système ont permis d’améliorer la séparation des contributions des différents tissus (Peau/Cerveau). Elles ont également permis de différencier la signature de la réponse physiologique de ces tissus, notamment en permettant de détecter les variations de concentration en Cytochrome-c-oxydase. Parallèlement à ce développement instrumental, des simulations Monte-Carlo de la propagation de la lumière dans un modèle anatomique de tête ont été effectuées. Ces simulations ont permis de mieux comprendre la propagation de la lumière dans les tissus en fonction de la longueur d’onde et de valider la pertinence de cette approche multidimensionnelle. Les perspectives de ces travaux de thèse se dirigent vers l’utilisation de cet instrument pour le suivi de la réponse du cerveau chez l’Homme adulte lors de différentes sollicitations comme des stimulations de TDCS, ou en réponse à une activité sportive. / The Diffuse Optical Tomography (DOT) is now a relevant tool for the functional medical imaging. One of the most widespread application of this technic is the imaging of the human brain function. Indeed, this technic has numerous advantages, especially the richness of the optical contrast accessible. Nevertheless, some drawbacks are curbing the use of the technic, especially for applications on adults in clinics or in particular environment like in the monitoring of sports activity. Indeed, the measured signal contains information coming from different depths of the head, so it contains different tissues types like skin and brain. Yet, the response of interest is the one of the brain, and the one of the skin is blurring it. In this context, this work is about the development of a new instrument of DOT capable of acquiring spatial and spectral information, as well as the arrival time of photons simultaneously and at a high acquisition speed. During the PhD thesis the instrument has been developed and characterised on optical phantoms. Then, it has been validated in-vivo on adults, especially by detecting the cortical activation of the prefrontal cortex, in response to a simple calculation task. Multidimensional information acquired by our system allowed us to better distinguish between superficial and deep layers. It also allowed us to distinguish between the physiological signature of those tissues, and especially to detect the variations of concentration in Cytochrom-c-oxydase. Concurrently to this experimental work, Monte-Carlo simulation of light propagation in a model off a human head has been done. Those simulations allowed us to better understand the light propagation in tissues as function as their wavelength, and to validate the relevance of our multidimensional approach. Perspectives of this work is to use the developed instrument to monitor the brain’s response of the Human adult to several solicitations like tDCS stimulation, or sports activity.