Les travaux réalisés lors de cette thèse ont porté sur le cortex moteur et les troubles de la marche de patients atteints de la maladie de Parkinson (MP). L’atteinte fonctionnelle des aires motrices corticales dans la MP et leur implication dans la physiopathologie des désordres moteurs a surtout été établie à partir de données issues des aires corticales des membres supérieurs. L’analyse électrophysiologique par stimulation magnétique transcranienne réalisée dans ces travaux de thèse a exploré les aires motrices corticales des membres inférieurs et révélé des troubles d’excitabilité différents de ceux classiquement décrits dans les aires corticales des membres supérieurs. En effet, il ressort principalement de l’étude sur le membre inférieur une diminution de la facilitation intracorticale (FIC) alors que la littérature décrit essentiellement pour les aires motrices corticales des membres supérieurs une altération des mécanismes inhibiteurs intracorticaux. Les anomalies corticales mises en évidence sont corrélées avec les paramètres locomoteurs affectés par la maladie, longueur d’enjambée et vitesse de marche. L’analyse des patients avec et sans traitement a permis de montrer que la supplémentation dopaminergique agit à la fois au niveau cortical et locomoteur normalisant partiellement les déficits observés. Les anomalies de FIC des aires corticales motrices des membres inférieurs paraissent donc être impliquées dans la physiopathologie des troubles de la marche dans la MP et pourraient de ce fait constituer un paramètre d’évaluation et un objectif thérapeutique de choix. L’utilisation de la stimulation magnétique transcranienne répétitive couplée à la neuronavigation permettrait d’explorer cette dernière piste. / This thesis aims to study the relationships between motor cortex impairment and locomotor disorders in Parkinsonian patients (PP). Most of the previous studies have focused on the upper limb cortical areas showing the existence of an imbalance in cortical excitability, which mainly evolves towards a state of impaired intracortical inhibition. However, just a few studies have been devoted so far to the exact cortical abnormalities responsible for Parkinsonians’ gait disorders. The transcranial magnetic stimulation (TMS) studies presented here demonstrate that the excitability abnormalities occurring in PP differ between the cortical areas associated with the lower and upper limbs, since defective intracortical facilitation (ICF) processes were mainly detected in the lower limbs cortical areas. Furthermore, these specific excitability abnormalities identified seem to be involve in the genesis of the hypokinetic locomotor component since correlations were established between the ICF level and the shortened stride length (and by correlates, with the reduced velocity). Patients were assessed with and without dopaminergic substitution treatment (DST). We found that DST modified significantly both the cortical excitability abnormalities and the defective locomotor parameters. Impaired facilitatory processes in lower limbs cortical areas may be involved in the pathophysiology of gait disorders in PD. This hypothesis should be addressed in an experiment coupling repetitive TMS and neuronavigation.

La stimulation magnétique transcrânienne (TMS) est une technique d'investigation classiquement utilisée dans l'évaluation du cortex moteur. La TMS est utilisée dans l'étude de la fatigue afin de distinguer sa composante centrale. Peu d'études ont utilisé cette technique pour évaluer les effets de l'exercice locomoteur et aucune dans des conditions extrêmes. Ainsi, l'objectif de cette thèse était double: d'abord, répondre à certaines questions méthodologiques concernant l'utilisation de la TMS dans l'évaluation de la fatigue, en particulier du muscle quadriceps, et deuxièmement, étudier les effets de l'exercice en conditions extrêmes sur le développement de la fatigue centrale et supraspinal ainsi que sur l’excitabilité et l'inhibition corticospinales. Dans les Etudes 1 et 2, l'effet de différentes approches d'une force cible avant l’application d'une impulsion TMS ainsi que les différences entre les principales méthodes utilisées pour déterminer l'intensité optimale de TMS ont été étudiés. Dans l'Etude 3, l'effet d'une nuit de privation de sommeil sur les performances cognitives et physiques et les paramètres centraux a été étudié. L'effet d'un ultra-trail de 110 km sur la composante supraspinale de la fatigue centrale a été évalué dans l'Etude 4. Les conclusions principales de cette thèse sont, sur le plan méthodologique, i) que lors de l'évaluation par TMS pendant de brèves contractions volontaires, il est essentiel d’appliquer l'impulsion de TMS après que la force produite par le sujet se soit stabilisée à la valeur cible et ii) qu'une courbe stimulus-réponse à 20% de la force maximale volontaire est appropriée pour déterminer l'intensité de TMS optimale dans les études portant sur l'exercice et la fatigue. De plus, bien que la privation de sommeil ait des impacts négatifs sur les performances cognitives et à l'exercice, elle n'a pas d'influence sur des paramètres neuromusculaires ni ne provoque une plus grande fatigue centrale. Une fatigue supraspinale se développe et l’excitabilité corticospinale augmente au cours d’exercices d'endurance/ultra-endurance en course à pied et ne vélo, tandis que les effets sur les mécanismes inhibiteurs corticospinaux sont équivoques et probablement dépendent des caractéristiques de l'exercice et de l'intensité de la TMS / Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a widely-used investigative technique in motor cortical evaluation. TMS is now being used in the investigation of fatigue to help partition the effects of central fatigue. Few studies have utilized this technique to evaluate the effects of locomotor exercise and none in conditions of extreme exercise. Therefore, the purpose of this thesis was twofold; first, to answer methodological questions pertaining to the use of TMS in fatigue evaluation, particularly of the quadriceps, and second, to investigate the effects of extreme exercise conditions on the development of central and supraspinal fatigue and corticospinal excitability and inhibition. In Studies 1 and 2, the effect of approaching a target force in different ways before the delivery a TMS pulse and the difference between commonly-employed methods of determining TMS intensity on the selection of optimal TMS intensity were investigated. In Study 3, the effect of one night sleep deprivation on cognitive and exercise performance and central parameters was investigated. The effect of a 110-km ultra-trail on the supraspinal component of central fatigue was evaluated in Study 4. The principal findings from this thesis are that during TMS evaluation during brief voluntary contractions, it is essential to deliver the TMS pulse once the force has stabilized at the target and that a stimulus-response curve at 20% MVC is appropriate for determining optimal TMS intensity in exercise and fatigue studies. Furthermore, while sleep deprivation negatively-impacted cognitive and exercise performance, it did not influence neuromuscular parameters nor result in greater central fatigue. Supraspinal fatigue develops and corticospinal excitability increases during endurance/ultra-endurance running and cycling, while the effects on inhibitory corticospinal mechanisms are equivocal and probably depend on exercise characteristics and TMS intensity

Bien que la plasticité ipsilesionnelle suite à un accident vasculo-cérébral (AVC) soit bien établie, la réorganisation du cortex contralésionnel et son effet sur la récupération fonctionnelle restent toujours non élucidés. Les études publiées présentent des points de vue contradictoires sur le rôle du cortex contralésionnel dans la récupération fonctionnelle. La taille de lésion pourrait être le facteur déterminant la réorganisation de ce dernier. Le but principal de cette étude fut donc d’évaluer l’effet des AVC de tailles différentes dans la région caudal forelimb area (CFA) du rat sur la réorganisation physiologique et la récupération comportementale de la main. Suite à une période de récupération spontanée pendant laquelle la performance motrice des deux membres antérieurs fut observée, les cartes motrices bilatérales du CFA et du rostral forelimb area (RFA) furent obtenues. Nous avons trouvé que le volume de lésion était en corrélation avec le niveau de récupération comportementale et l’étendue de la réorganisation des RFA bilatéraux. Aussi, les rats ayant de grandes lésions avaient des plus grandes représentations de la main dans le RFA de l’hémisphère ipsilésionnel et un déficit de fonctionnement plus persistant de la main parétique. Dans l’hémisphère contralésionnel nous avons trouvé que les rats avec des plus grandes représentations de la main dans le RFA avaient des lésions plus grandes et une récupération incomplète de la main parétique. Nos résultats confirment l’effet du volume de lésion sur la réorganisation du cortex contralésionnel et soulignent que le RFA est l’aire motrice la plus influencée dans le cortex contralésionnel. / While our understanding of ipsilesional plasticity and its role in recovery of hand function following ischemic stroke has increased dramatically, the reorganization of the contralesional motor cortex and its effect on recovery remain unclear. Currently published studies offer contradictory views on the role of contralesional motor cortex in recovery. Lesion extent has been suggested as the factor determining the type of reorganization of the contralesional motor cortex. The primary goal of this study was thus to evaluate the effect of unilateral strokes of different sizes in caudal forelimb area (CFA) of the rat on both physiological reorganization and behavioral recovery. At the end of a period of spontaneous recovery during which we monitored motor performance of both limbs, we obtained bilateral maps of the CFA and the putative premotor area of the rat – rostral forelimb area (RFA). We found that lesion volume in the CFA correlates with both the extent of behavioral recovery of the paretic hand and the extent of both ipsi and contralesional cortical reorganization. We found that rats with bigger lesions had larger hand representations in the ipsilesional hemisphere and more persistent deficits of the paretic hand. In the contralesional hemisphere we found that rats with larger hand representation in the RFA had bigger lesions and incomplete recovery of the paretic hand. Our results confirm the effect of lesion volume on the reorganization of the contralesional motor cortex and highlight contralesional RFA as the motor cortical area most influenced by lesion volume for future investigations.

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L’exposition aux impacts commotionnels et sous-commotionnels est une préoccupation majeure dans les sports de contact en raison de leurs effets néfastes sur la santé cérébrale. Des changements physiopathologiques et neurocognitifs ont été constatés après une seule saison de football chez des athlètes exposés à des coups sous-commotionnels. Vu l'absence d'outils sur les lignes de côtés permettant d'identifier les coups sous-commotionnels potentiellement dangereux, il est crucial de mettre au point des mesures objectives pour évaluer les perturbations neuropsychologiques aiguës associées aux chocs à la tête dans les sports de contact. Cette étude a pour but de documenter l'association entre l'exposition aux impacts à la tête pendant un match de football universitaire et les changements à court terme de l’excitabilité du cortex moteur primaire (M1) à l'aide de la stimulation magnétique transcrânienne (SMT). À cette fin, vingt-neuf athlètes masculins de niveau universitaire ont porté des protège-dents instrumentés (iMG) pendant un match de football afin de mesurer l'exposition aux impacts à la tête. Les mesures SMT ont été effectuées 24 heures avant et 1 à 2 heures après le match. De plus, vingt athlètes de football assigné au groupe contrôle ont participé à une séance d'entraînement physique sans contact et ont effectué les mêmes mesures de SMT. Les résultats suggèrent que, par rapport au groupe contrôle, le groupe d'athlètes ayant joué un match de football présentait une désinhibition intracorticale significative (p=0,028) sur l'inhibition intracorticale à intervalle court (SICI 3-ms) après le match. Par ailleurs, les joueurs de football exposés à un plus grand nombre de coups de 40g+ et à des forces cumulées plus importantes dues à des chocs de 40g+ présentaient une désinhibition intracorticale plus importante après le match. Compte tenu les effets délétères d'une diminution de l'inhibition sur le contrôle moteur et l'équilibre, suivre de manière systématique l'exposition aux impacts à la tête des athlètes tout au long de la saison pourrait s'avérer avantageux pour la gestion clinique des risques de blessure. Ces changements observés renforcent la conviction qu’il est nécessaire d’investiguer davantage les effets à long terme de l’exposition aux impacts sous-commotionnels. / Repetitive head impacts and sport-related concussions are significant concerns in contact sports due to their adverse effects on brain health. Pathophysiological and neurocognitive changes have been found after a single season of football in athletes exposed to subconcussive hits. Considering the lack of sideline tools to identify potentially dangerous subconcussive hits, coming up with objective measures to evaluate acute neurologic impairments associated with head impacts in contact sports is crucial from a clinical standpoint. The current project aimed to investigate the association between head impact exposure (HIE) during a varsity football game and short-term changes in cortical excitability of the primary motor cortex (M1) using transcranial magnetic stimulation (TMS). To this end, we conducted a study, in which twenty-nine university-level male athletes wore instrumented mouthguards (iMGs) during a football game to measure HIE. TMS measurements were conducted 24 hours before and 1-2 hours after the game. Additionally, twenty control football athletes submitted to a non-contact physical training session and underwent identical TMS assessments. Results suggest that relative to controls, the group of athletes who had played a full contact football game exhibited a significant intracortical disinhibition (p=.028) on short-interval intracortical inhibition (SICI 3-ms) within hours following the game. Moreover, football players exposed to more 40g+ hits and greater cumulative forces from 40g+ head impacts exhibited greater post-game SICI disinhibition. Given the deleterious effects of decreased inhibition on motor control and balance, systematically tracking head impact forces throughout the course of contact sport season could reveal essential for sideline clinical management of head injury risk. These observed changes add to the concern that more research into the lasting consequences of HIE is needed.