Le traumatisme craniocérébral (TCC) est la première cause d’invalidité chez les jeunes adultes qui entrent dans leurs années les plus productives, affectant significativement leur qualité de vie. Le TCC modéré à grave s’accompagne de dommages neuroanatomiques considérables et de conséquences neurologiques, cognitives, et sociales qui persistent à long terme, et notamment de troubles de l’éveil et du sommeil qui sont parmi les séquelles les plus communes, invalidantes et persistantes. Conséquemment, l’objectif global de cette thèse était d’investiguer comment le TCC modéré à grave affecte le sommeil subséquent pendant l’hospitalisation aigüe et à long terme, et d’évaluer comment ce sommeil subséquent affecte la récupération à la suite du TCC. Pour ce faire, nous avons usé de méthodes quantitatives, incluant la polysomnographie, afin de mesurer précisément le sommeil du stade aigu au stade chronique à la suite du TCC, ainsi que dans différents groupes contrôles hospitalisés ou non. De plus, ces mesures ont été combinées à des méthodes de neuroimagerie, notamment l’imagerie par tenseur de diffusion, ainsi qu’à diverses mesures cliniques et neuropsychologiques. Aux chapitres un et deux, un survol de la littérature pertinente à cette thèse sera d’abord présenté, abordant des concepts ayant trait au sommeil et au TCC. Les questions qui demeurent dans la littérature ainsi que les objectifs spécifiques de cette thèse seront également abordés en détail. Au chapitre trois, le sommeil au stade aigu du TCC et son association avec la fonction cognitive seront abordés au travers d’un article empirique. Puisque le TCC représente une perturbation importante pour le cerveau, spécialement au stade aigu, et que la majorité des patients ayant subi un TCC développeront des déficits cognitifs persistants, ce chapitre vise à caractériser objectivement le sommeil des patients ayant subi un TCC modéré à grave pendant leur hospitalisation aigüe, et à évaluer comment ce sommeil est associé à la cognition des années plus tard. Dans ce chapitre, nous avons d’abord démontré grâce à la polysomnographie que le TCC causait des altérations importantes du sommeil pendant l’hospitalisation aigüe, qui étaient caractérisées par un sommeil plus fragmenté et une plus grande quantité de sommeil lent profond. Nous avons ensuite démontré que ces altérations étaient associées avec la cognition des années plus tard, en accord avec le rôle attendu du sommeil dans la récupération neurologique à la suite du TCC. Ce chapitre suggère non seulement que le TCC soit directement impliqué dans l’altération du sommeil suivant la blessure, mais aussi que le sommeil subséquent puisse être un marqueur précoce ou un promoteur de la récupération cognitive à long terme, soulignant l’importance de monitorer le sommeil à la suite du TCC. Aux chapitres quatre et cinq, le sommeil au stade chronique du TCC et son association avec les dommages neuroanatomiques seront abordés au travers de deux articles empiriques. Puisque qu’il est difficile d’expliquer les plaintes chroniques de mauvaise qualité de sommeil et d’éveil par l’architecture du sommeil des patients ayant subi un TCC, et que la microarchitecture du sommeil, qui dépend fortement des réseaux étendus de matière blanche, n’a que très peu été étudiée, ces chapitres visent à caractériser la microarchitecture du sommeil des patients ayant subi un TCC modéré à grave au stade chronique, et d’investiguer comment cette microarchitecture est associée à la détérioration attendue de la matière blanche. Dans ces chapitres, nous avons démontré que les fuseaux de sommeil et les oscillations lentes n’étaient que très peu altérés au stade chronique du TCC, soulignant leur surprenante résilience, et que contrairement à nos hypothèses, ceux-ci ne sont probablement pas directement impliqués dans les troubles de sommeil et de l’éveil persistants rapportés à la suite du TCC. D’un autre côté, nous avons également démontré que la synchronisation des oscillations lentes était fortement associée à la détérioration massive de matière blanche présente chez ces patients, supportant l’hypothèse qu’il existe une forte pression homéostatique de sommeil et un besoin de sommeil augmenté qui persistent au stade chronique. Cette thèse a contribué à élucider comment le TCC affecte le sommeil à court et à long terme suivant la blessure, ainsi que l’effet du sommeil pendant l’hospitalisation aigüe sur l’évolution cognitive qui s’ensuit à long-terme. / Traumatic brain injuries are the first cause of disability among young adults. This is notable considering they are entering their most productive years, significantly altering their quality of life. Moderate to severe TBI are accompanied by considerable neuroanatomical damage and neurological, cognitive, and social consequences that can persist over several years, and notably sleep-wake disturbances which are among the most common, debilitating, and persistent sequelae. Thus, the global objective of this thesis was to investigate how moderate to severe TBI affects sleep during acute hospitalization and in the long-term, and to evaluate how post-injury sleep affects recovery following TBI. To achieve this goal, we used quantitative methods, including polysomnography, to precisely measure sleep in the acute and chronic stages of TBI, and in both hospitalized and not hospitalized control groups. In addition, these measures were combined to neuroimaging methods, notably diffusion tensor imaging, and to various clinical and neuropsychological measures. In chapters one and two, an overview of the relevant literature will first be presented, touching on concepts related to sleep and TBI. Current gaps in the literature and the thesis objectives will also be detailed. In chapter three, sleep in the acute stage of TBI and its association with cognitive function will be addressed. Because TBI represents a major disruption to the brain, especially in the acute stage, and because most patients with TBI exhibit persistent cognitive deficits, this chapter aims to objectively characterize sleep during acute hospitalization following moderate to severe TBI, and to explore how sleep is associated with cognition years later. In this chapter, we first showed with polysomnography that TBI caused significant disruptions of sleep during acute hospitalization, which were characterized by a more fragmented sleep and more slow-wave sleep. We then showed that these alterations were associated with cognition years later, in line with the expected role of sleep in neurological recovery. This chapter suggests that the TBI itself is directly involved in sleep disruption following the injury, and that subsequent sleep may be an early marker or a promoter of long-term cognitive recovery, highlighting the importance of monitoring sleep following TBI. In chapters four and five, sleep in the chronic stage of TBI and its association with neuroanatomical damage is addressed. Because chronic sleep-wake complaints are not accounted for by sleep architecture following TBI, and that sleep microarchitecture, which relies on a structural backbone of white matter networks, has rarely been studied, these chapters aim to characterize sleep microarchitecture in the chronic stage following moderate to severe TBI, and to investigate how this microarchitecture is associated with the expected white matter deterioration. In these chapters, we showed that sleep spindles and slow waves were only minimally altered in the chronic stage following TBI, highlighting their surprising resilience to injury, and that contrary to our hypotheses, these sleep oscillations are probably not directly involved in the persistent sleep-wake disturbances reported following TBI. On the other hand, we also showed that slow wave synchrony was strongly associated with the massive white matter deterioration observed in these patients, supporting the hypothesis of elevated homeostatic sleep pressure and heightened need for sleep persisting in the chronic stage. This thesis contributed to elucidating how TBI affects short and long-term sleep following injury, as well as the effect of sleep during acute hospitalization on long-term cognitive outcomes.

<p dir="ltr">The brain is a dynamic tissue that is passively driven by a combination of the cardiac cycle, respiration, and slow wave oscillations. The function of the brain relies on its ability to maintain a normal homeostatic balance between its mechanical environment and metabolic demands, which can be greatly altered in the cases of neurodegeneration or traumatic brain injury. It has been a challenge in the field to quantify the dynamics of the tissue and cerebrospinal fluid flow in human subjects on a patient-specific basis over the many spatial and temporal scales that it relies upon. Non-invasive imaging tools like structural, functional, and dynamic MRI sequences provide modern researchers with an unprecedented view into the human brain. Our work leverages these sequences by developing novel, open-source pipelines to 1) quantify the biomechanical environment of the brain tissue over 133 functional brain regions, and 2) estimate real-time cerebrospinal fluid velocity from flow artifacts on functional MRI by employing breathing regimens to enhance fluid motion. These pipelines provide a comprehensive view of the macroscale tissue and fluid motion in a given patient. Additionally, we sought to understand how the transmission of macroscale forces, in the context of traumatic brain injury, contribute to neuronal damage by 3) developing a digital twin to simulate 30-200 g-force loading of 2D neuronal cultures and observing the morphological and electrophysiological consequences of these impacts in vitro by our collaborators. Taken together, we believe these works are a steppingstone that will enable future researchers to deeply understand the mechanical contributions that underly clinical neurological outcomes and perhaps lead to the development of earlier diagnostics, which is of dire need in the case of neurodegenerative diseases.</p>

Une commotion cérébrale liée au sport (CCS) est une lésion cérébrale traumatique dont les athlètes du secondaire sont susceptibles de présenter des symptômes graves en raison de la maturation cognitive pendant l'adolescence. En utilisant le modèle « Capability Opportunity Motivation-Behaviour » (Michie et al., 2011), nous cherchions à comprendre les expériences des étudiants-athlètes d’écoles secondaires et de leurs entraîneurs par rapport aux comportements liés aux CCS. Nous avons mené des entrevues semi-structurées (M = 72 min) avec des athlètes (n = 10), des entraîneurs (n = 4) et des enseignants-entraîneurs (n = 2) d'une école secondaire impliqués dans le hockey sur glace, le basket-ball, le volley-ball et le rugby. Nous avons effectué une analyse dirigée de contenu en utilisant le modèle COM-B. Les athlètes et les entraîneurs ont décrit des expériences ayant eu un impact sur leur capacité à divulguer les symptômes (athlètes) et à gérer correctement la CCS (athlètes et entraîneurs). De plus, les participants ont décrit des facteurs qui ont influencé les opportunités à améliorer les connaissances en matière de CCS (athlètes et entraîneurs), de les déclarer (athlètes), de les gérer correctement (athlètes) et de les identifier (enseignants-entraîneurs). Enfin, les participants ont indiqué leurs motivations pour les décisions concernant le signalement des CCS (athlètes), le retrait du jeu (entraîneurs) et la bonne gestion des CCS (athlètes et entraîneurs). Les résultats de cette étude pourraient aider les chercheurs à intégrer la théorie du changement de comportement pour créer des interventions d'éducation sur les CCS. / Sport-related concussion (SRC) is a traumatic brain injury that has regrettably become prevalent in many contact or collision sports. High school athletes are more vulnerable to experiencing more severe symptomatology compared to adults due to the cognitive maturation that occurs throughout adolescence. Using the Capability Opportunity Motivation-Behaviour (COM-B) model, the innermost ring of the Behaviour Change Wheel (Michie et al., 2011), we sought to understand the experiences of high school athletes and coaches with concussion-related behaviours in their sports. We conducted qualitative semi-structured interviews (M = 72 min) with high school athletes (n = 10), coaches (n= 4), and teacher-coaches (n= 2) from a rural high school in New Brunswick, who were involved in ice hockey, basketball, volleyball, and rugby. We performed a directed content analysis of the interview transcripts using the COM-B model as pre-determined codes. Athletes and coaches described experiences that we felt impacted their capabilities for symptom disclosure (athletes), and for both athletes and coaches to properly manage SRC. Similarly, we interpreted that opportunities to improve SRC knowledge (athletes and coaches), to report SRC (athletes), to properly manage SRC (athletes) and to identify SRC (teacher-coach) were impacted by factors described in participants’ experiences. Lastly, participants described the motivational factors that impacted their SRC reporting (athletes), removal from play (coaches) and proper SRC management (athletes and coaches) behaviours. The findings from this study will ideally assist future researchers in designing more effective behavioural interventions to improve concussion safety among high school sport participants.

TBI stands for Traumatic Brain Injury and refers to damage to the brain resulting from an external physical force, such as a blow, jolt, or penetrating injury to the head. Common causes of TBI include falls, motor vehicle accidents, sports injuries, and violence and has been linked to thousands of deaths and injuries in the US and the EU alike. This thesis was aimed to localise certain TBI to a specific part of the brain by exerting similar loading conditions on an Finite Element Method (FEM) of the rat brain as physical experiments conducted on living rats. By comparing the strain in 7 vital parts of the brain to injury diagnosis conducted in the physical experiments, an effort was made to link localised strain to injury diagnosis. The results indicate that strain in the thalamus and hypothalamus are linked with a loss of consciousness while strain in the hypothalamus coupled with the neocortex correlates greatly with activity-based behaviour changes. Lastly, injury associated with emotional changes are believed to stem from large strains in the neocortex. There is a theory suggesting that the structure of myeline, which provides support in motion and movement patterns of biological systems in humans and animals (known as biomechanical kinematics), could have an impact. However, more studies are needed to confirm and determine the exact cause. / TBI, från engelskans Traumatic Brain Injury, står för Traumatisk Hjärn Skada och syftar på en skada i hjärnan till följd av enyttre fysisk kraft, såsom ett slag, stöt eller genomträngande skada i huvudet. Vanliga orsaker till TBI inkluderar fall, motorfordonsolyckor, sportskador och våld och har kopplats till tusentals dödsfall och skadade i både USA och EU. Denna rapport syftar till att försöka lokalisera viss TBI till en specifik del av hjärnan genom att utöva liknandebelastningsförhållanden på en finit elementmetod (FEM) modell av råtthjärnan som fysiska experimentutförs på levande råttor. Genom att jämföra belastningen i 7 vitala delar av hjärnan med skadediagnos som utfördes i de fysiska experimenten gjordes en ansträngning för att koppla lokaliserad belastning till skadediagnos. Resultaten indikerar att skada i thalamus och hypotalamus är kopplade till en förlust av medvetande medan belastning i hypotalamus i kombination med neocortex korrelerar kraftigtmed aktivitetsbaserade beteendeförändringar. Slutligen är skador i samband med känslomässiga förändringartros härröra från skada i neocortex. Det finns teori som tyder på attstruktur av myelin, som ger stöd i rörelse och rörelsemönster av biologiskasystem hos människor och djur (känd som biomekanisk kinematik), kan ha en inverkan.Det behövs dock fler studier för att bekräfta och fastställa den exakta orsaken.

Le vieillissement normal comporte une diminution légère des fonctions cognitives supérieures qui n’entrave pas le fonctionnement quotidien de la personne. Cependant, ce déclin peut rendre la personne âgée plus vulnérable si celle-ci subit une atteinte cérébrale acquise, tel un traumatisme craniocérébral (TCC). Devant le vieillissement démographique de la population, l’intérêt pour l’étude du vieillissement cérébral normal et pathologique a significativement augmenté au cours des dernières années. Malgré ce fait, on constate une absence de programmes validés de réadaptation cognitive pour les personnes âgées qui subissent un TCC, alors que la cause la plus fréquente de TCC chez la personne âgée sont les chutes de sa propre hauteur, dont la fréquence augmente avec l’âge. Ces faits permettent de présager une augmentation significative de cas de personnes âgées qui subissent un TCC, ce qui représentera un fardeau additionnel pour le déjà surchargé système de santé. Le présent projet de recherche clinique visait à compenser une telle carence en évaluant l’efficacité d’un programme d’entrainement cognitif, le Programme d’enrichissement cognitif (PEC), spécifiquement développé par l’auteur de cette thèse pour les personnes qui ont subi un TCC à l’âge de 55 ans et plus. Le PEC est composé de trois modules intégrant des méthodes de réadaptation qui visent des processus cognitifs fréquemment atteints tant chez la personne âgée que chez les personnes ayant subi un TCC : conscience de soi, mémoire épisodique et fonctions exécutives. Deux études de l’efficacité du PEC, effectuées par le biais d’un devis contrôlé semi-randomisé à simple aveugle, sont présentées dans la présente thèse. La première étude visait à démontrer l’efficacité du PEC pour améliorer la mémoire épisodique. Le deuxième module du PEC, composé d’exercices d’entrainement mnémonique tirés du Programme MEMO, vise tout particulièrement cette dimension mnésique. Le Programme MEMO a été originalement conçu et démontré comme étant efficace pour les personnes âgées présentant un déclin cognitif léger (ou mild cognitive impairment). Il s’agit de la première étude impliquant le Programme MEMO auprès de personnes ayant subi un TCC. Une ANCOVA a mis en évidence des améliorations significatives sur une mesure psychométrique de mémoire épisodique et d’une mesure auto-rapportée de généralisation dans la vie quotidienne des participants du groupe expérimental. De plus, une amélioration cliniquement significative a été constatée au niveau de leur perception de bien-être psychologique. La deuxième étude évaluait l’efficacité du PEC pour le fonctionnement exécutif des participants, tel que mesuré par des instruments psychométriques évaluant des composantes exécutives, ainsi que des mesures de généralisation à la vie quotidienne. Les résultats ont montré une amélioration significative dans le groupe expérimental pour des sous-tâches d’une épreuve de fonctionnement exécutif, ainsi qu’une réduction significative des différences entre les participants au PEC et leurs proches sur une échelle de fonctionnement exécutif dans la vie quotidienne. De plus, le nombre d’activités quotidiennes abandonnées était significativement réduit 6 mois plus tard dans le groupe expérimental. L’intégration de programmes de réadaptation cognitive comme le PEC dans les services de réadaptation nous paraît tout à fait nécessaire et hautement recommandée, tout comme la formation de neuropsychologues en méthodes et stratégies de réadaptation cognitive et neuropsychologiques afin d’améliorer significativement l’offre de services à la population vieillissante et générale. / Aging is a natural process that includes decline in higher cognitive functions. This decline doesn’t impede daily functioning but may render a person more vulnerable if they acquire a traumatic bran injury (TBI). The world’s demographic aging has motivated a rise of the interest for the study of normal and neuropathological cognitive decline. Despite this fact, there is a gap in terms of validated neurocognitive training programs specifically conceived for ageing persons who sustain a TBI, even though the main causes of TBI are falls from one’s own height, which become more frequent with age. These facts point to an expected rise of TBI among older people, creating a burden on the already overloaded public health system. This clinical research project aimed to compensate this gap by evaluating the efficacy of a cognitive training program specifically developed by the author of this thesis for people who suffered a TBI at the age of 55 years old or more. This program is named Cognitive Enrichment Program (CEP). The CEP is composed of three modules integrating rehabilitation methods of cognitive functions frequently disturbed during aging and in TBI: self-awareness, episodic memory, and executive functions. Two studies evaluating the efficacy of the CEP, using a controlled semi-randomized single-blind design, are reported in this thesis. The first study aimed to demonstrate the CEP’s efficacy in improving episodic memory. The CEP’s second module is composed of the training mnemonic exercises of the MEMO Program, which focuses mainly on this memory dimension. The MEMO program was originally conceived and demonstrated to be effective for people suffering from mild cognitive impairment. This is the first study to use the MEMO Program with individuals having sustained a TBI. ANCOVA showed significant improvements in a psychometric episodic memory measure, and on a daily-life generalisation self-reported measure in experimental group participants. In addition, they showed clinically significant improvement in self-perceived psychological well-being. The second study assessed CEP efficacy on participants’ executive functioning using psychometric measures of executive functions, and on daily-life generalization measures. Results showed significant improvement in the experimental group on subtasks of a psychometric executive function measure, as well as a significant reduction in CEP participant-significant other differences on a self-reported scale assessing executive functioning in daily life. Also, the number of forsaken daily activities was significantly reduced 6 months later in the experimental group. Integration of cognitive rehabilitation programs such as the CEP into holistic rehabilitation programs is necessary and highly recommended, as is training neuropsychologists on cognitive and neuropsychological rehabilitation methods and strategies, to improve services offered to the aging and general population.

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