Les traumatismes crâniens demeurent une cause de mortalité importante et entraînent des incapacités graves. La modélisation numérique est un outil moderne pour étudier la biomécanique des chocs crâniens. L’objectif principal de cette thèse a été l’évaluation biomécanique d’un casque de cycliste issu du commerce. Des tests de caractérisation ainsi que des campagnes de chocs normatifs et tangentiels ont permis le développement d’un modèle éléments-finis du casque et sa validation. Afin d’estimer le risque lésionnel encouru lors de chocs réalistes, le modèle de casque a été couplé à un modèle de tête anatomique et différents paramètres intracrâniens ont été calculés. Les valeurs obtenues pour ces paramètres se sont révélées supérieures aux limites de tolérance. Fort de ces constats, une réflexion en profondeur sur la norme EN1078 actuelle a été menée et pour laquelle des modifications ont été proposées afin que le casque protège la tête de façon optimale vis-à-vis de critères biomécaniques. / Traumatic head injuries remain a common cause of death and severe disabilities worldwide. FE modeling of the head is a well accepted tool to study head impact biomechanics. The objective of this PhD thesis was to evaluate the head protection capability offered by a commercial bicycle helmet. Experimental characterization tests, standard and tangential impacts were performed to develop and validate the finite element helmet model. In order to estimate the injury risk sustained in case of realistic head impacts, the helmet model has been coupled to an anatomical head and intracranial parameters were computed. Calculated values were higher than published tolerance limits. An in-deep investigation of the current EN1078 European standard was then carried out and relevant modifications were proposed to assess and optimize bicycle helmets against biomechanical criteria.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les traumatismes crâniens (TC) représentent la première cause de décès ou de handicap avant l'âge de 45 ans, avec une incidence en Europe de 235/100 000 habitants. Chez les patients survivant à un TC, les séquelles sont fréquentes allant de l'état végétatif chronique au syndrome post-concussionnel compliquant principalement la réinsertion socio professionnelle et familiale des victimes. Cependant la nature des lésions cérébrales provoquées par un TC est encore mal connue et les thérapies susceptibles d'empêcher la progression des lésions neurologiques sont très limitées. Un TC provoque d'abord des lésions directement dues à l'impact (lésions primaires). D'autres mécanismes secondaires vont avoir lieu dès les premières minutes suivant le TC et peuvent évoluer sur plusieurs jours. Elles sont susceptibles d'être atténuées par une thérapeutique appropriée et sont donc l'objet de la plupart des efforts de recherche actuels. Néanmoins, notre connaissance de ces phénomènes d'agression primaires et secondaires, est incomplète et ne permet pas d'expliquer correctement l'évolution des TC. Les dépolarisations corticales envahissantes (DCE) ou cortical spreading depolarizations””sont un des évènements délétères contribuant aux lésions secondaires consécutives au TC. Les DCE sont des vagues de dépolarisation massive associées à un mauvais pronostic. Elles sont caractérisées par une dépression de l'activité electrocorticographique et une dépolarisation des neurones corticaux et des astrocytes qui se propagent sur le cortex. Les DCE s'accompagnent d'une augmentation des besoins métaboliques visant à restituer au tissu son état d'homéostasie neurochimique et de polarisation cellulaire. Les conséquences des DCE sur le métabolisme cérébral sont encore mal connues aussi bien sur un tissu sain qu'après agression cérébrale. Il existe des arguments pour penser que l'incidence, le nombre et la durée des DCE sont associés à un moins bon pronostic chez l'homme après agression cérébrale. Cependant, les mécanismes par lesquels ces DCE auraient une toxicité directe reposent encore sur des arguments le plus souvent indirects et sont mal compris. L'objectif principal de ce travail de thèse a été de caractériser les conséquences neurochimiques et micro-vasculaires des DCE afin de mieux comprendre leur physiopathologie dans un cortex sain ou agressé par un TC sévère / “Traumatic brain injury” (TBI) encompasses a heterogeneous group of physio-pathological phenomenon. Prognosis, clinical course evaluation and treatment of brain trauma remain challenging. Brain damage results from both the initial physical insult (primary injury), and also continues to occur in the ensuing hours to days because of secondary brain aggressions. Among secondary injuries following TBI, Cortical Spreading Depolarizations (CSD) have emerged since the mid-90s. CSD are waves of depolarization propagating along the cortex at a speed of 1-5 mm/min that induced a massive energetic demand to repolarize the cells. CSD are participating to prognosis because their occurrence and duration are related to outcome in different acute brain injuries (TBI, sub-arachnoid hemorrhage and ischemic stroke). During my thesis, our main goal was to determine whether the CSD reinforced neuronal death following brain trauma that can explain the poor prognosis. In a first study we delineated brain regions where neuronal death occurs following lateral fluid percussion injury (LFPI) in order to record CSDs in this area. Then, as we wanted to assess the energetic balance of this tissue during CSD using biosensors, we had primarily to check for the biosensor reliability to oxygen (O2) and temperature (To). As oxygen and temperature were different from bench (in vitro) to bedside (in vivo) monitoring, we developed algorithms to compute offline the in vivo values obtained for glucose, lactate or glutamate brain concentrations respecting the local O2 concentrations and To measured in the cortex. Finally, using the biosensors, we described the dynamic real time metabolic changes occurring after CSDs in 3 conditions: A healthy cortex, an injured cortex after LFPI, and when CSD occurred in cluster after LFPI. Although the normal brain displayed a hyper-glycolytic state following CSD (transient low glucose concentrations + prolonged elevated lactate concentrations), TBI tissue exhibited a different pattern that could be metabolic crisis (very low glucose concentrations + normal to low lactateconcentrations)

Apparue à la fin des années 1990, la tractographie utilise le signal diffusion de l’imagerie par résonance magnétique (IRM) pour détecter l’orientation préférentielle des molécules d’eau et reconstruire l’architecture des tissus biologiques, notamment celle des fibres blanches intra cérébrales. Cette technique a suscité l’engouement de la communauté scientifique en permettant, pour la première fois, l’étude in vivo non invasive des structures anatomiques, et en particulier celle du cerveau. Néanmoins, la description de la trajectoire des fibres blanches reste imprécise dans les zones de croisement de fibres et pour les faisceaux de petite taille comme les nerfs crâniens. De multiples méthodes sont développées aux différents étapes d’acquisition et de post-traitement afin d’améliorer la résolution spatiale et angulaire et augmenter la précision de la reconstruction des fibres. En pratique clinique, la détection de la trajectoire des nerfs crâniens déplacés au contact des tumeurs de la base du crâne pourrait apporter une aide significative dans la stratégie chirurgicale et améliorer le résultat fonctionnel pour les patients.Après avoir rappelé les notions fondamentales nécessaires à la compréhension de chaque étape de la tractographie, nous en présentons l’ « état de l’art » dans le cas particulier des nerfs crâniens. A partir de 21 études de la littérature scientifique, nous détaillons tous les paramètres d’acquisition et de tracking, les algorithmes de reconstruction, le design des régions d’intérêt et le filtrage. Puis, nous développons notre propre pipeline de tractographie et montrons son impact sur la prise en charge chirurgicale à travers une série de 62 cas de tumeurs variées de la base du crâne et 2 vignettes cliniques illustratives. Enfin, nous proposons une nouvelle approche, la full-tractography, avec une utilisation potentielle en routine clinique, notamment lors du planning pré-chirurgical / Tractography is a recent imaging tool that used the diffusion signal from the magnetic resonance imaging (MRI) to detect the preferential orientation of water molecules within the tissues and particularly along white fibers of the brain. This technique has caught the attention of the scientific community describing non-invasively the in vivo white matter architecture. Nonetheless, its application to fiber crossing areas or to small-scale structures, such as cranial nerves, remains inaccurate. New methods are being developed for both the acquisition and post-processing steps to provide a higher angular and spatial resolution imaging, and improve the reconstruction of fibers. In the clinical setting, the detection of the trajectory of the cranial nerves displaced by skull base tumors could be a relevant asset for the surgical strategy and the functional outcome. After reminding the basics to understand each step involved in tractography, we present the current state-of-the-art for application to cranial nerves. From 21 selected studies, we report all parameters of acquisition and tracking, algorithms of reconstruction, the design of the regions of interest, and filtering. We then develop our tractography pipeline and show its value for the surgical management through a 62 case series of various skull base tumors and two clinical images. Finally, we propose a new full-tractography approach that could be implemented in routine, notably for presurgical planning

Plusieurs études de simulation in vitro et in vivo ont été réalisées au cours des dernières décennies afin de clarifier les interrelations des sources corticales avec leurs corrélats électrophysiologiques enregistrés sur l’EEG invasif et l’EEG de scalp. L’amplitude des potentiels corticaux, l’étendue de l’aire corticale impliquée par la décharge, de même que la localisation et la géométrie de la source corticale sont des facteurs indépendants qui modulent l’observabilité et la contribution de ces sources sur l’EEG de surface. L’enregistrement simultané et multi-échelle de l’EEG de scalp et intra-crânien (avec des électrodes sous-durales ou profondes) durant l’exploration pré-chirurgicale des patients épileptiques offre une opportunité unique d’explorer cette question fondamentale. Alors que les études précédentes ont considéré essentiellement des sources néocorticales dans le contexte de l’épilepsie du lobe temporal, notre travail s’est intéressé à l’observabilité et la contribution de sources profondes temporales et frontales. Nous avons pu montrer : (1) que les sources épileptiques profondes enregistrées dans les régions temporales médianes et fronto-basales ne sont pas visibles par l’analyse visuelle de routine mais sont détectables après élimination du bruit de fond physiologique généré par les sources corticales de surface sus-jacentes ; (3) que l’amplitude des pointes enregistrées en surface est corrélée avec la surface d’activation corticale de la convexité et avec des ratios élevés d’amplitude pointes/activité de fond / Several in vitro, in vivo, and simulation studies have been performed in the past decades aiming to clarify the interrelations of cortical sources with their scalp and invasive EEG correlates. The amplitude ratio of cortical potentials to their scalp EEG correlates, the extent of the cortical area involved in the discharge, as well as the localization of the cortical source and its geometry, have been each independently linked to the recording of the cortical discharge with scalp electrodes. Simultaneous multiscale EEG recordings with scalp, subdural and depth electrodes, applied in presurgical epilepsy workup, offer an excellent opportunity to address this fundamental issue. Whereas past studies have considered predominantly neocortical sources in the context of temporal lobe epilepsy, the present work addresses deep sources, in mesial temporal and extra-temporal epilepsies. We showed that deep sources, such as those in mesial temporal or fronto-basal regions, are not visible, but are detectable in scalp EEG. Scalp EEG spikes correlate with extensive activation of the cortical convexity and high spike-to-background amplitude ratios

Les traumatismes crâniens peuvent provoquer des troubles de la perception de molécules odorantes chez l’homme. Les causes de ces troubles post-traumatiques peuvent être : une altération mécanique dans la cavité nasale, des cisaillements des filets nerveux olfactifs et des lésions des régions cérébrales impliquées dans le traitement de l’information olfactive.Il est crucial en clinique ORL de pouvoir déterminer objectivement la fonctionnalité de l’odorat.Pour cela, nous avons conçu une méthode d’enregistrement électrophysiologique des potentiels évoqués olfactifs incluant, en plus de la composante classique P2/P3, une composante cognitive reflétant la perception du stimulus odorant : la variation de contingence négative (CNV).Cette méthode a été tout d’abord validée avec 24 sujets normosmiques et 8 sujets totalement anosmiques (absence congénitale des bulbes olfactifs). La CNV était présente chez tous les normosmiques contrairement à l’onde P2/P3 présente dans seulement 82% (28/34 cavités nasales stimulées) des observations. Les signaux sont tous absents chez les anosmiques.Nous avons aussi examiné 41 patients se plaignant d’anosmie ou d’une hyposmie associée à une perception déformée des odeurs. Dans la plupart des cas ces troubles étaient consécutifs à un choc occipital et/ou temporal. Les enregistrements ont été confrontés aux observations IRM focalisées sur la région des bulbes olfactifs : aspect des bulbes olfactifs et lésions dans le gyrus rectus et le gyrus orbitaire médian.Dans la grande majorité des cas, les deux bulbes présentaient un aspect anormal et les enregistrements électrophysiologiques montraient une absence totale de fonctionnalité.Cependant pour quelques patients, l’anormalité de l’aspect des bulbes n’empêchait pas la transmission de l’information au cerveau, comme indiqué par l’enregistrement des potentiels évoqués. Dans ce cas, la lésion bulbaire était associée à une parosmie (perception déformée des odeurs) et à une incapacité d’identification de celles-ci.Au bilan, notre méthode d’enregistrement permet, au niveau de chaque individu, d’obtenir de façon objective des informations essentielles permettant le diagnostic objectif de l’existence d’un trouble de l’odorat. Notre étude des traumatisés crâniens montre que la région des bulbes olfactifs est fragile et susceptible d’être endommagée partiellement ou totalement, même en cas de traumatisme crânien de relativement faible importance. / Head traumas can cause trouble of odor perception in humans. The causes of these post-traumatic troubles can be either mechanical damage to the nasal cavity, shearing of olfactory nerve fibers or lesions of the brain regions involved in processing olfactory information.In clinical ENT, it is crucial to objectively determine olfaction functionality.We developed electrophysiological recording of olfactory evoked potentials including, in addition to the classic P2/P3 component, a cognitive component reflecting the perception of odorants i.e.: the contingent negative variation (CNV).This method was first validated with 24 normosmic subjects and 8 completely anosmic subjects (congenital anosmia without olfactory bulb). The CNV was present in all normosmic subjects whereas P2/P3 was present in only 82 % (28/34 nasal cavities stimulated) of the observations. No signal was observed in any anosmic subjects.We also examined 41 patients complaining of anosmia or hyposmia associated with a distorted perception of odorants. In most cases, these troubles were consecutive to an occipital and / or temporal impact. The recordings were compared to MRI observations focusing on the region of the olfactory bulbs which exhibited olfactory bulbs lesions and lesions in the gyrus rectus and in the medial orbital gyrus. In most cases, the two bulbs had an abnormal appearance and electrophysiological recordings showed a complete lack of functionality. However, for some patients, the abnormal aspect of the bulb did not prevent the transmission of information to the brain, as indicated by the electrophysiological responses. In this case, the bulbar lesion was associated with parosmia (distorted perception of smell) and an inability to identify odors.In conclusion, our recording method allows obtaining, for each subject, the essential information for an objective diagnosis of the existence of a smell disorder. Our study of patients with head trauma shows that the region of the olfactory bulbs is fragile and can be damaged either partially or completely, even for light head trauma.

Deux des trois divisions du système nerveux viscéral – le système nerveuxparasympathique et le système nerveux entérique – sont associés aux nerfscrâniens (le troisième, le système nerveux sympathique, est associé aux nerfsspinaux). Cette étude est centrée sur les nerfs crâniens et sur les ganglionsqui leur sont associés ; plus précisément sur les stratégies cellulaires ayantlieu lors de leur ontogenèse.Je propose des principes unificateurs concernant les interactions neuronalesmises en jeu lors de la formation des nerfs crâniens branchiomériques ainsiqu’un nouveau mode de migration des précurseurs des ganglionsparasympathiques couplé à la migration de leurs partenairespréganglionnaires jusqu’au site de formation du ganglion. Enfin, je présentecertaines observations préliminaires suggérant que les précurseurs dusystème nerveux entériques utilisent ce même modus operandi pour envahirl’oesophage. / Two of the three divisions of the visceral nervous system —theparasympathetic and the enteric nervous systems— are associated withcranial nerves (the third one, the sympathetic division, being associatedwith spinal nerves). This work is focused on cranial nerves and associatedganglia and more particularly on the cellular strategies presiding over theirontogeny and wiring.I propose unifying principles of neuronal interactions that govern theformation of branchiomeric cranial nerves, as well as a novel migrationpathway followed by parasympathetic precursors, which use theirpreganglionic nerves to migrate to the site of ganglion formation. Finally, Ipresent preliminary observations suggesting that the enteric neuronalprecursors use the same trick to populate the esophagus.

Le risque individuel de rupture des anévrismes cérébraux est un enjeu majeur dans la prise en charge clinique des anévrismes asymptomatiques. La rupture anévrismale se produit lorsque la contrainte intra-pariétale dépasse la contrainte à rupture du matériau composant la paroi. Notre étude a pour objectif d'être un pas vers une nouvelle mesure biomécanique du risque individuel de rupture des anévrismes cérébraux. Dans un premier temps, une étude expéri- mentale fut menée pour caractériser le comportement biomécanique de la paroi anévrismale sur 16 échantillons d'anévrismes prélevés chirurgicalement. L'expérimentation sur les échan tillons de poche anévrismale a permis de dégager trois grandes classes de tissus pour chaque sexe (homme et femme) : souple, rigide et intermédiaire. Il apparaît que tous les anévrismes non rompus appartiennent à la catégorie rigide ou intermédiaire et que tous les anévrismes rompus correspondent à la catégorie souple. Ceci permet de mettre en évidence une corrélation entre le risque de rupture et les propriétés du matériau composant la paroi anévrismale. Dans un deuxième temps, des simulations d'interaction fluide/structure (FSI) ont été réalisées pour comparer les déformations d'un anévrisme " patient spécifique " constitué d'un matériau dégradé et non dégradé. Les résultats montrent que les propriétés du matériaux ont un impact majeur sur l'ampleur de la variation de volume anévrismale diastolosystolique. Les changements en terme de variations de volume en fonction des caractéristiques du tissu sont potentiellement visualisables à l'aide de l'imagerie médicale. Une analyse des incertitudes des paramètres est aussi présentée et montre la robustesse des résultats aux incertitudes des données d'entrée. Il a ensuite été démontré sur 12 cas " patient-spécifique " d'anévrismes différents (forme, taille, localisation et conditions aux limites différentes) qu'il existe toujours une différence significative en terme de variation de volume au cours du cycle cardiaque entre un anévrisme dont la paroi est composé d'un matériau rigide et d'un matériau souple. Cette étude suggère donc que la variation de volume anévrismale pourrait être utilisée comme une base pour une évaluation individuelle du risque de rupture des anévrismes cérébraux. / The individual risk of rupture of cerebral aneurysm is a major stake in the clinical treatment. The aneurismal rupture occurs when the intra-parietal stress exceeds the rupture stress of the material of the aneurismal wall. The goal of our study is to be a step toward a new biomechanical measure of an individual risk of rupture of cerebral aneurysm. First, an experimental study was performed to characterize the biomechanical behavior of the aneurismal wall on 16 samples of aneurysms removed by neurosurgery. The experimentation on the samples allowed us to reach three main categories of tissues for each sex (female and male): soft, intermediate and stiff. All the unruptured aneurysms belong to the stiff category or the intermediate category and all the ruptured aneurysms belong to the soft category. This is allowed us to give prominence to the correlation between the risk of rupture and the properties of the material of the aneurismal wall. Then, Fluid/Structure interaction computations (FSI) were performed to compare the strain of a “patient-specific” aneurysm composed of a degraded and undegraded material. The results show that the properties of the material have a major impact on the scope of the aneurismal volume variation over the cardiac cycle. The volume variation changes depending on the properties of the tissue are potentially viewable by medical imaging. A study of the uncertainties of the parameters is also proposed and shows the robustness of the results. We also demonstrated on 12 cases of “patient-specific” aneurysms that a significant difference stiff exists in terms of volume variation over the cardiac cycle between an aneurysm composed of a stiff and a soft material. This study suggests that the aneurismal volume variation could be used as a basis for an evaluation of the individual risk of rupture of cerebral aneurysms.