L’exécution d’un mouvement purement unilatéral nécessite le recrutement d’un vaste réseau de régions corticales et sous-corticales, qu’il est possible de regrouper sous le terme de réseau de transformation non-miroir. Ce réseau doit contrer la tendance naturelle du cerveau à exécuter des mouvements de manière bilatérale et synchronisée, en miroir. Malgré l’efficacité de ce réseau, une activité miroir subtile est observée au niveau de la main qui doit demeurer inactive lors de mouvements unilatéraux chez l'humain en santé. Ce débordement moteur doit être inhibé grâce aux interactions interhémisphériques transitant par le corps calleux (CC), la plus grande commissure du cerveau servant de pont entre les hémisphères. Ainsi, la commande motrice peut être acheminée efficacement du cortex moteur primaire (M1) controlatéral à la main devant exécuter une l’action par l’entremise de la voie corticospianle (VCS). En plus du CC, le cortex prémoteur (CPM) joue un rôle important dans ce réseau puisque son interférence via la stimulation magnétique transcrânienne (SMT) entraîne une augmentation de l’activité miroir dans la main devant normalement demeurer inactive lors d’un mouvement unilatéral. Ainsi, toute modification dans ce réseau ou dans les processus interhémisphériques peut provoquer l’augmentation des mouvements miroirs (MM). À ce jour, aucune étude n’a tenté de moduler ces interactions pour réduire la présence de MM. Ainsi, les études cliniques et méthodologiques qui composent la présente thèse comportent deux objectifs principaux : (1) déterminer si la stimulation électrique transcrânienne à courant direct (SÉTcd) permet l'étude du réseau de transformation non-miroir, et si cette technique est en mesure de diminuer l’intensité des MM chez des individus en santé; (2) caractériser l'anatomie et le fonctionnement du cerveau dans deux populations d’individus porteurs de mutations génétiques affectant le développement de structures impliquées dans la latéralisation du mouvement, le CC et la VCS. L’article 1 décrit les assisses théoriques de la présente thèse grâce à une revue de la littérature portant sur les interactions interhémisphériques dans le mouvement unilatéral. L’article 2 suggère que la SÉTcd est un outil efficace dans l'étude du réseau de transformation non-miroir puisque le protocole de stimulation bilatérale a permis d’augmenter la présence et l’intensité des MM physiologiques (MMp) chez des individus en santé. Cependant, il n’a pas été possible de moduler à la baisse les MMp malgré différents protocoles de stimulation. Dans l’article 3, l'étude d’individus nés sans CC a mis en lumière une augmentation de l’épaisseur corticale au niveau des aires somatosensorielles (S1) et visuelles (V1) primaires, de même qu’au niveau de la représentation de la main dans M1. Ces différences demeurent toutefois légères considérant l’importance du CC. L’article 4 a démontré que les individus porteurs d’une mutation sur le gène DCC présentent un phénotype similaire à celui de porteurs d'une mutation sur le gène RAD51. Ces mutations affectent la migration de la VCS au niveau des pyramides. La VCS projette ainsi aux deux mains, causant des mouvements miroirs congénitaux (MMC). Cette pathologie est également accompagnée d’anomalies neurophysiologiques, telle qu’une inhibition interhémisphérique (IIH) réduite. En somme, les études composant cette thèse ont permis d’approfondir notre connaissance de certaines structures responsables de la latéralisation adéquate du mouvement, tout en décrivant de nouvelles méthodes pour en étudier le fonctionnement. / The execution of purely unilateral hand movements requires the recruitment of vast cortical and subcortical brain areas known as the non-mirroring network. This network counteracts the natural tendency of the brain, which tends to execute movements in a bilateral and synchronized manner. Despite the efficacy of the non-mirroring network in restricting motor output to contralateral limbs, subtle mirroring can be observed in the inactive hand of healthy individuals when performing a unilateral task. This motor overflow needs to be inhibited through interhemispheric projections coursing through the corpus callosum (CC), the biggest white matter tract of the brain. This mechanism makes it possible for motor commands originating from the primary motor cortex (M1) to reach the contralateral hand performing an action via the corticospinal tract (CST). It has been suggested that the premotor cortex (PMC) is an important component of the non-mirroring network since its interference with transcranial magnetic stimulation (TMS) enhances mirror activity in the inactive, mirror hand when a unilateral hand movement is performed. Indeed, modulation of parts of the non-mirroring network and interhemispheric projections can result in enhanced mirror movements (MM). It is not known whether specific interventions can decrease MM. The clinical and methodological studies that compose the present thesis have two main objectives: (1) Determine whether transcranial direct-current stimulation (tDCS) can be used to assess non-mirroring network function and reduce MM intensity in healthy individuals; (2) Characterize brain function and anatomy in two clinical populations presenting specific genetic mutations that affect the development of structures involved in the lateralization of movement (the CC and CST). Article 1 provides a theoretical basis for the present essay through a review of the literature pertaining to interhemispheric interactions in the production of unilateral movements. Article 2 shows that tDCS can be used to study the non-mirroring network since a bilateral stimulation protocol significantly increased the intensity of physiological MM (pMM) in healthy individuals. However, despite different stimulation protocols, it was not possible to reduce pMM. In article 3, anatomical MRIs performed in individuals born without a CC revealed increases in cortical thickness in primary somatosensory (S1) and visual (V1) cortex, as well as in the hand representation of M1. Taken together, however, the data suggest that anatomical differences between acallosal patients and healthy participants are relatively subtle considering the size and function of the CC. Article 4 showed that individuals presenting a mutation on the DCC gene display a phenotype similar to that of individuals presenting a mutation on the RAD51 gene. DCC mutations affect the crossing of the CST at the pyramidal level, resulting in a CST that projects to both hands simultaneously, causing congenital mirror movements (CMM). This pathological condition is accompanied by neurophysiological anomalies that include reduced interhemispheric inhibition (IHI). In summary, the studies comprised in the present thesis significantly increase our knowledge of the specific brain structures that enable the proper lateralization of movements. It also describes novel methods that can be used to investigate the non-mirroring network.

Il existe différents facteurs pouvant altérer la récupération fonctionnelle de patients souffrant de traumatismes orthopédiques (TO), dont le fait de subir un traumatisme craniocérébral (TCC) concomitant. Le profil de traumatismes combinés (TCC et TO) a principalement été étudié en contexte de blessures jugées sévères (TCC modéré/sévère et multiples fractures), notamment dans un souci de maximiser la récupération de ces patients et le déploiement des ressources médicales. Par ailleurs, la littérature demeure limitée en ce qui a trait à l’impact de subir un TCC en contexte de blessures jugées moins sévères, soit un TCC léger (TCCL) et une fracture isolée (un seul os fracturé), bien qu’il s’agisse de deux blessures à très forte incidence et qu’elles partagent diverses similarités (p.ex. : mécanismes d’accidents et physiologiques communs). Ainsi, la présente thèse s’est spécifiquement intéressée à cette population aux prises avec une fracture isolée avec, ou sans, TCCL concomitant. Dans un premier temps, les travaux de la thèse ont permis d’investiguer la fréquence de TCCL concomitant en contexte de fracture isolée (article 1) ainsi que son impact sur la récupération post-fracture selon diverses mesures cliniques (articles 2, 3, 4). Les résultats ont démontré que le TCCL était fréquent, quoique fortement sous-diagnostiqué, chez des patients vus au département d’urgence (DU) pour une fracture isolée et que sa présence avait un impact significatif sur le niveau de douleur perçu, le délai pour retourner au travail et le risque de développer de l’ossification hétérotopique (forme de complications orthopédiques). Dans un deuxième temps, la présente thèse a utilisé une approche théorique (article 5) et clinique (article 6) afin d’étudier les mécanismes physiologiques sous-tendant la perception de douleur, symptôme clé suite à une fracture, dans un souci de limiter les risques de chronicisation de la douleur et de proposer des méthodes d’intervention ciblées selon la population étudiée. Les travaux ont notamment mis en lumière une association entre l’intensité de douleur rapportée par des patients en phase aiguë post-fracture et le degré d’atteintes des mécanismes d’excitabilité corticale du cortex moteur primaire mesurées par l’entremise de la stimulation magnétique transcranienne (SMT). Enfin, sur la base d’évidences théoriques soulevées dans un article de revue de la présente thèse, il semble y avoir une pertinence dans l’utilisation de la SMT auprès de la population orthopédique comme méthode d’investigation et d’intervention, considérant sa capacité à cibler les mécanismes physiologiques impliqués dans la transition de la douleur aiguë à la douleur chronique. / A variety of factors can affect the functional recovery of patients with an orthopedic trauma (OT), including concomitant traumatic brain injuries (TBI). The recovery profile of patients with combined traumas (OT and TBI) has been studied primarily in the context of severe injuries (moderate/severe TBI and multiple fractures), in order to maximize recovery and medical resources. On the other hand, there is limited evidence on the impact of concomitant TBI in the context of milder injuries, such as in patients sustaining a mild TBI combined with an isolated limb fracture, despite both injuries being highly prevalent and sharing various similarities (e.g., overlapping injury mechanisms and physiological mechanisms). The current thesis sought to bridge this knowledge gap via a multifaceted approach. We first investigated the risk of sustaining a concomitant mild TBI in patients with an isolated limb fracture (article 1) as well as its impact on post-fracture recovery according to various clinical measures (articles 2, 3, 4). The results showed that mild TBI was frequent, although highly underdiagnosed, in patients seeking care for an isolated limb fracture in the emergency department. Moreover, the presence of a concomitant mild TBI had a significant detrimental impact on the level of perceived pain, on return to work delays, and on the risks of developing heterotopic ossification (a type of orthopedic complication). Secondly, this thesis used a theoretical (article 5) and a clinical (article 6) approach to study the physiological mechanisms underlying pain perception, a key symptom following a fracture, in order to limit the risks for pain chronification and to propose intervention methods tailored to the studied population. In particular, results highlighted an association between pain intensity as perceived by patients in the acute phase post-fracture and the degree of cortical excitability impairments of the primary motor cortex, as measured by transcranial magnetic stimulation (TMS). Finally, based on theoretical evidence highlighted in a review article included in this thesis, there are evidence supporting the use of TMS in a traumatically injured population as a method to investigate and intervene given its ability to target key physiological mechanisms involved in the transition from acute to chronic pain.

Background: Gait initiation is a major issue in Parkinson’s disease (PD). Moreover, the effect of current treatment on motor deficits vary alongside individual differences and disease severity. In some cases, postural instability has been documented as a major side-effect and refractory symptom to dopaminergic medication. Despite these shortcomings, research involving other forms of therapy including deep brain stimulation (DBS) and transcranial magnetic stimulation (TMS), has evidenced the improvement of postural deficits in PD. In this regard, there is a strong rational for the modulation of subcortical brain activity via the application of non-invasive transcranial direct current stimulation (tDCS) to interconnected cortical brain structures. Purpose: Therefore, we sought to determine the effect of tDCS applied to the supplementary motor area (SMA), on gait initiation preparation and performance in PD. Methods: A within subjects repeated measures quasi-experimental design was used to investigate the effects of a 10-minute sham-controlled tDCS intervention. Clinically diagnosed participants (n=12) with idiopathic PD were tested on medication during two sessions that bookended one week. Those who had previously undergone other forms of brain stimulation, had diabetes, severe freezing of gait, or any other neurological or functional limitations that could interfere with gait initiation were excluded from the study. Statistical Analyses/Results: Two-way repeated measures ANOVAs with Bonferroni corrections and a post-hoc analyses when appropriate, revealed a significant reduction in the magnitude of center of pressure (CoP) displacement and velocity in the mediolateral (ML) direction following tDCS. Conclusions: Findings from this study provide insights that may guide scientific research regarding the effects of tDCS on gait initiation among those with PD. Additionally, our work may highlight the importance of ML postural stability for individuals with comorbid and/or pharmacologically induced postural instabilities.

Die transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist ein nichtinvasives Hirnstimulationsverfahren, mit welchem sowohl die funktionelle Untersuchung umschriebener kortikaler Regionen als auch die Modulation der Erregbarkeit ebendieser sowie die Induktion neuroplastischer Phänomene möglich ist. Sie wurde in der Vergangenheit insbesondere bei der Erforschung des humanen zentralmotorischen Systems angewandt. Dabei zeigte sich, dass ein einzelner über dem primärmotorischen Areal (M1) applizierter TMS-Puls multiple deszendierende Erregungswellen im Kortikospinaltrakt induzieren kann. Von diesen Undulationen besitzt die D-Welle (direkte Welle) die kürzeste Latenz und sie rekurriert auf eine direkte Aktivierung kortikospinaler Neurone, wohingegen I-Wellen (indirekte Wellen) längere Latenzen besitzen und durch transsynaptische Aktivierung dieser Zellen entstehen. Bemerkenswert ist das periodische Auftreten der letztgenannten Erregungswellen mit einer Periodendauer von etwa 1,5 ms. Zwar sind die genauen Mechanismen noch unbekannt, welche der Entstehung dieser I-Wellen sowie dem Phänomen der I-Wellen-Fazilitierung, das sich in geeigneten TMS-Doppelpulsprotokollen offenbart, zugrunde liegen, jedoch existieren hierzu verschiedene Erklärungsmodelle. Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die repetitive Anwendung eines TMS-Doppelpulsprotokolls, bei dem das Interpulsintervall (IPI) im Bereich der I-Wellen-Periodizität liegt (iTMS) und das gleichsam durch eine Implementierung der I-Wellen-Fazilitierung in der repetitiven TMS charakterisiert ist. Da gezeigt werden konnte, dass iTMS mit einem IPI von 1,5 ms (iTMS_1,5ms) die kortikospinale Erregbarkeit signifikant intra- und postinterventionell zu steigern vermag, und die I-Wellen-Periodizität interindividuellen Schwankungen unterliegt, wurde in der hier vorgestellten Studie an Normalprobanden der Einfluss einer individuellen Anpassung des IPIs (resultierend in der iTMS_adj) auf die intrainterventionelle kortikospinale Erregbarkeit untersucht. In der Tat stellte sich heraus, dass die iTMS_adj der iTMS_1,5ms diesbezüglich überlegen ist. Dieses Ergebnis unterstreicht das Potential einer Individualisierung der interventionellen TMS für erregbarkeitsmodulierende Effekte und macht dasjenige der ohnehin auf physiologische Prozesse abgestimmten iTMS explizit, was insbesondere für klinische Anwendungen relevant sein mag.

Il existe des projections corticospinales (CS) vers les motoneurones (MNs) aussi bien contra- (c) qu’ipsilatérales (i). Les influences CSc sur les MNs du poignet sont connues pour être modulées entre autres par la position du poignet et les afférences cutanées. Pour cette raison, notre objectif était de vérifier si ces caractéristiques sont aussi valides pour les influences CSi. En utilisant la stimulation transcrânienne magnétique au niveau du cortex primaire droit, nous avons tout d’abord comparé les influences CSi sur les MNs des fléchisseurs du poignet à des positions maintenues de flexion et d’extension durant une tâche uni-manuelle ainsi que deux tâches bimanuelles, ceci chez des sujets droitiers (n=23). Nous avons ensuite comparé les influences CSi dans cinq tâches bi-manuelles de tenue d’objet durant lesquelles les sujets avaient à tenir entre leurs mains un bloc à la surface soit lisse, soit rugueuse, dont le poids était supporté ou non, ceci en position de flexion (n=21). Dans une tâche, un poids était ajouté au bloc lisse en condition non supportée pour amplifier les forces de préhension requises. Une modulation positiondépendante était observée au niveau des potentiels évoqués moteurs (iPEM), mais seulement lors de la tâche bi-manuelle quand les deux mains interagissaient via un bloc (p= 0.01). Une modulation basée sur la texture était également présente, quel que soit le support de poids, et le bloc lisse était associé avec des iPEMs plus importants en comparaison avec le bloc rugueux (p= 0.001). Ainsi, les influences CSi sur les MNs n’étaient modulées que lors des tâches bi-manuelles et dépendaient de la manière dont les mains interagissaient. De plus, les afférences cutanées modulaient les influences CSi facilitatrices et pourraient ainsi participer à la prise en main des objets. Il en est conclu que les hémisphères droit et gauche coopèrent durant les tâches bimanuelles impliquant la tenue d’objet entre les mains, avec la participation potentielle de projections mono-, et poly-synaptiques, transcallosales inclues. La possibilité de la contribution de reflexes cutanés et d’étirement (spinaux et transcorticaux) est discutée sur la base de la notion que tout mouvement découle du contrôle indirect, de la « référence » (referent control). Ces résultats pourraient être essentiels à la compréhension du rôle des interactions interhémisphériques chez les sujets sains et cliniques. / There are both contra- (c) and ipsilateral (i) corticospinal (CS) projections to motoneurons (MNs). There is evidence that cCS influences on wrist MNs are modulated by wrist position and cutaneous afferents. Thus, we aimed to test whether these findings are valid for iCS influences as well. Using transcranial magnetic stimulation applied over the right primary motor cortex, we first compared iCS influences on wrist flexor MNs at actively maintained flexion and extension wrist positions in one uni- and two bimanual tasks in right-handed subjects (n=23). We further compared iCS influences in five bimanual holding tasks in which subjects had to hold a smooth or coarse block between their hands, with or without its weight being supported, in flexion position (n=21). In one task, a weight was added to the unsupported smooth block to increase load forces. A position-dependent modulation of the short-latency motor evoked potential (iMEP) was observed, but only in the bimanual task when the two hands interacted through a block (p=0.01). A texture-dependent modulation was present regardless of the weight supported, and the smooth block was associated with larger iMEPs in comparison to the coarse block (p=0.001). Hence, iCS influences on MNs were modulated only in bimanual tasks and depended on how the two hands interacted. Furthermore, cutaneous afferents modulated facilitatory iCS influences and thus may participate to grip forces scaling and maintaining. It is concluded that the left and right cortices cooperate in bimanual tasks involving holding an object between the hands, with possible participation of mono- and poly-synaptic, including transcallosal projections to MNs. The possible involvement of spinal and trans-cortical stretch and cutaneous reflexes in bimanual tasks when holding an object is discussed based on the notion that indirect, referent control underlies motor actions. Results might be essential for the understanding of the role of intercortical interaction in healthy and neurological subjects.

Spike timing-dependent plasticity (STDP) has been suggested as one of the key mechanism underlying learning and memory. Due to its importance, timing-dependent plasticity studies have been approached in the living human brain by means of non-invasive brain stimulation (NIBS) protocols such as paired associative stimulation (PAS). However, contrary to STDP studies at a cellular level, functional plasticity induction in the human brain implies the interaction among target cortical networks and investigates plasticity mechanisms at a systems level. This thesis comprises of two independent studies that aim at understanding the importance of considering broad cortical networks when predicting the outcome of timing-dependent associative plasticity induction in the human brain. In the first study we developed a new protocol (ipsilateral PAS (ipsiPAS)) that required timing- and regional-specific information transfer across hemispheres for the induction of timing-dependent plasticity within M1 (see chapter 3). In the second study, we tested the influence of individual brain structure, as measured with voxel-based cortical thickness, on a standard PAS protocol (see chapter 4). In summary, we observed that the near-synchronous associativity taking place within M1 is not the only determinant influencing the outcome of PAS protocols. Rather, the online interaction of the cortical networks integrating information during a PAS intervention determines the outcome of the pairing of inputs in M1.

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Alcohol use disorder (AUD) is characterized by excessive habitual drinking and loss of control over alcohol intake despite negative consequences. Both of these aspects foster uncontrolled drinking and high relapse rates in AUD patients. Yet, common interventions mostly focus on the phenomenological level, and prioritize the reduction of craving and withdrawal symptoms. Our review provides a mechanistic understanding of AUD and suggests alternative therapeutic approaches targeting the mechanisms underlying dysfunctional alcohol-related behaviours. Specifically, we explain how repeated drinking fosters the development of rigid drinking habits and is associated with diminished cognitive control. These behavioural and cognitive effects are then functionally related to the neurobiochemical effects of alcohol abuse. We further explain how alterations in fronto-striatal network activity may constitute the neurobiological correlates of these alcohol-related dysfunctions. Finally, we discuss limitations in current pharmacological AUD therapies and suggest non-invasive brain stimulation (like TMS and tDCS interventions) as a potential addition/alternative for modulating the activation of both cortical and subcortical areas to help re-establish the functional balance between controlled and automatic behaviour.

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