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

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