Ce mémoire de maîtrise explore l'efficacité de la neurostimulation non invasive dans la gestion des symptômes de la fibromyalgie, préparant le terrain pour de futures applications cliniques destinées à améliorer la qualité de vie des personnes touchées. La recherche se concentre sur l'utilisation de la neurostimulation magnétique musculaire, seule ou en combinaison avec la neurostimulation magnétique du cerveau. La fibromyalgie, une maladie musculosquelettique répandue, affecte une part significative de la population, tant au Canada qu'à l'échelle mondiale, et se manifeste plus fréquemment chez les femmes. Elle se caractérise par une douleur persistante et une hypersensibilité étendue à travers le corps. Les traitements actuels varient en efficacité, et les effets secondaires associés aux médicaments peuvent souvent réduire l'adhésion des personnes aux traitements ou exacerber leurs symptômes. L'introduction du mémoire offre une analyse exhaustive des caractéristiques épidémiologiques, des manifestations cliniques, de la physiopathologie de la fibromyalgie, ainsi que des traitements existants. Le premier chapitre définit les objectifs de la recherche, visant à évaluer la neurostimulation magnétique musculaire et celle du cerveau comme traitements potentiels pour la fibromyalgie. Le chapitre 1 définit les objectifs de la recherche, qui sont d'explorer la neurostimulation magnétique musculaire et la neurostimulation magnétique du cerveau comme traitements potentiels pour la fibromyalgie. Les hypothèses avancées proposent que ces techniques pourraient améliorer la qualité de vie des personnes en modulant la douleur et d'autres symptômes de la FM à travers des mécanismes neurophysiologiques. L'approche méthodologique, détaillée au chapitre 2, décrit la méthodologie utilisée pour tester les hypothèses. L'étude a inclus des femmes diagnostiquées avec une fibromyalgie, divisées en deux groupes pour recevoir différentes formes de neurostimulation (réelle et placebo). L'efficacité du traitement a été évaluée à l'aide de questionnaires cliniques et des mesures neurophysiologiques ont été prises initialement pour caractériser les participantes. Le chapitre 3, correspondant à un article scientifique, présente les résultats de l'étude. Il rapporte que les traitements ont entraîné des améliorations significatives dans les symptômes de la fibromyalgie, avec des différences notables entre les groupes traités et les groupes placebo. Les données sont analysées en profondeur pour explorer la relation entre la neurostimulation et les améliorations des symptômes, soutenant l'efficacité potentielle de la neurostimulation magnétique musculaire et du cerveau comme traitements novateurs pour la fibromyalgie. / This master's thesis explores the effectiveness of non-invasive neurostimulation in managing the symptoms of fibromyalgia, paving the way for future clinical applications aimed at improving the quality of life for affected patients. The research focuses on the use of muscular magnetic neurostimulation, either alone or in combination with brain magnetic neurostimulation. Fibromyalgia, a widespread musculoskeletal disease, affects a significant portion of the population, both in Canada and globally, and is more frequently observed in women. It is characterized by persistent pain and widespread hypersensitivity throughout the body. Current treatments vary in effectiveness, and the side effects associated with medications can often reduce patient adherence to treatments or exacerbate their symptoms. The introduction of the thesis provides a comprehensive analysis of the epidemiological features, clinical manifestations, pathophysiology of fibromyalgia, as well as existing treatments. The first chapter defines the objectives of the research, aiming to evaluate muscular and brain magnetic neurostimulation as potential treatments for fibromyalgia. Chapter 1 defines the objectives of the research, which are to explore muscular magnetic neurostimulation and brain magnetic neurostimulation as potential treatments for FM. The advanced hypotheses propose that these techniques could improve the quality of life for patients by modulating pain and other fibromyalgia symptoms through neurophysiological mechanisms. The methodological approach, detailed in Chapter 2, describes the methodology used to test the hypotheses. The study included women diagnosed with fibromyalgia, divided into two groups to receive different forms of neurostimulation (real and placebo). The efficacy of the treatment was evaluated using clinical questionnaires, and neurophysiological measurements were initially taken to characterize the participants. Chapter 3, corresponding to a scientific article, presents the study results. It reports that the treatments led to significant improvements in fibromyalgia symptoms, with notable differences between the treated groups and the placebo groups. The data are analyzed in-depth to explore the relationship between neurostimulation and symptom improvements, supporting the potential effectiveness of muscular magnetic neurostimulation and brain neurostimulation as innovative treatments for fibromyalgia.

Thèses (M.Sc.A.)--Université de Sherbrooke (Canada), 1997. / Titre de l'écran-titre (visionné le 20 juin 2006). Publié aussi en version papier.

Thèses (M.Sc.A.)--Université de Sherbrooke (Canada), 2001. / Titre de l'écran-titre (visionné le 20 juin 2006). Publié aussi en version papier.

Neural control of swallowing is hierarchical, involving the cerebral cortex and interactions with several other brain regions including the cerebellum. Cortical control of swallowing exhibits functional asymmetry, whereby brain lesions disrupting the stronger ('dominant') hemisphere are implicated in post-stroke dysphagia. A major breakthrough has been the consistent observation that compensatory changes (neuroplasticity) in the undamaged (contralesional) hemisphere are responsible for swallowing recovery. Whilst existing therapies lack evidence-base, neurostimulation interventions capable of facilitating this natural recovery process have the potential to revolutionise swallowing rehabilitation. Whilst data using several neurostimulation modalities have been promising, translating them into much needed clinical therapies has been hampered by clinical study designs lacking homogeneity. In a series of studies, using three different modalities I describe a step-wise approach for developing neurostimulation interventions from bench-to-bedside. Firstly, in a proof of concept experiment, targeted cerebellar repetitive Transcranial Magnetic stimulation (rTMS) was assessed in healthy subjects (n=17), confirming frequency and duration specific (250-pulses of 10-Hz) induction of long-lasting changes in pharyngeal cortical plasticity, effects which were explored with therapeutic potential in a dysphagic patient. Secondly, in a pre-clinical model of post-stroke dysphagia, optimal parameters of cortical transcranial Direct Current Stimulation (tDCS) were tested, confirming reversal of transient neurophysiological and behavioural swallowing deficits induced by a 'virtual-lesion' (10 minutes, 1-Hz rTMS to the 'dominant' hemisphere) in 15 healthy subjects. Finally, in a randomised trial, optimal parameters and dosage (5-Hz, 10 minutes daily for 3-days) of Pharyngeal Electrical Stimulation (PES) were studied in acutely dysphagic stroke patients (n=36) which despite lower than desired recruitment, trended towards reduced dysphagia severity at 2-weeks, earlier hospital discharge and nasogastric tube removal were observed. These studies have shown for the first time that the cerebellum is a viable target for non-invasive brain stimulation swallowing studies and that cortical tDCS can reverse experimental brain lesions, with both techniques having therapeutic potential for post-stroke dysphagia. These clinical trial data add to the increasing evidence base for PES, the modality with the most evidence to date, with longer-term follow-up. The difficulties encountered in the post-stroke clinical trial in both recruitment and outcome measures highlight the importance of mechanistic studies which have often been lacking, in optimising stimulation specific factors; site, duration, intensity, dosing and controls, prior to clinical trials. An independent, larger, multi-centre, international trial of PES, with greater resources is now required to definitively determine its clinical efficacy. In summary, there may be a role for several different neurostimulation modalities in different patient sub-groups and my preliminary observations lead me to hypothesise that future translation of these therapies will depend on targeting population tailored to specific interventions.

Neurostimulation continues to demonstrate tremendous success as an intervention for neurodegenerative diseases, including Parkinson's disease, in addition to a range of other neurological and psychiatric disorders. In an effort to enhance the medical efficacy and comprehension of this form of brain therapy, modeling and computational simulation are regarded as valuable tools that enable in silico experiments for a range of neurostimulation research endeavours. To fully realize the capacities of neurostimulation simulations, several areas within computation and numerics need to be considered and addressed. Specifically, simulations of neurostimulation that incorporate (i) computational efficiency, (ii) application versatility, and (iii) characterizations of cellular-level electrophysiology would be highly propitious in supporting advancements in this medical treatment. The focus of this dissertation is on these specific areas. First, preconditioners and iterative methods for solving the linear system of equations resulting from finite element discretizations of partial differential equation based transcranial electrical stimulation models are compared. Second, a software framework designed to efficiently support the range of clinical, biomedical, and numerical simulations utilized within the neurostimulation community is presented. Third, a multiscale model that couples transcranial direct current stimulation administrations to neuronal transmembrane voltage depolarization is presented. Fourth, numerical solvers for solving ordinary differential equation based ligand-gated neurotransmitter receptor models are analyzed. A fundamental objective of this research has been to accurately emulate the unique medical characteristics of neurostimulation treatments, with minimal simplification, thereby providing optimal utility to the scientific research and medical communities. To accomplish this, numerical simulations incorporate high-resolution, MRI-derived three-dimensional head models, real-world electrode configurations and stimulation parameters, physiologically-based inhomogeneous and anisotropic tissue conductivities, and mathematical models accepted by the brain modeling community. It is my hope that this work facilitates advancements in neurostimulation simulation capabilities, and ultimately helps improve the understanding and treatment of brain disease. / Ph. D.

Les lombalgiques chroniques présentent un retard de l'activation du muscle transverse abdominal (TrA), une difficulté à activer volontairement le TrA et une réorganisation du cortex moteur primaire (Ml) contrôlant le TrA. L'entraînement du muscle permet de diminuer le retard du TrA et normaliser l'organisation de Ml. De plus, la neurostimulation périphérique permet de faciliter le retour sensorimoteur chez une population parétique. Notre projet combine donc la neurostimulation périphérique et un entraînement moteur spécifique pour améliorer le contrôle postural chez des lombalgiques chroniques. La combinaison de la neurostimulation au-dessus du TrA/oblique interne (IO) et de l'entraînement moteur a réussi à améliorer le contrôle posturo-moteur (délai d'activation et activation bilatérale). De plus, la neurostimulation a rétabli l'inhibition intracorticale absente chez les lombalgiques, ce qui pourrait expliquer pourquoi le groupe expérimental seulement s'est amélioré. Donc, l'utilisation de la neurostimulation comme adjuvant à la rééducation motrice semble efficace en une seule session pour améliorer les APA.

Les acouphènes touchent une grande proportion de Canadiens. Cette condition est associée à de nombreuses comorbidités et affecte de manière significative la qualité de vie des patients qui en souffrent. Malheureusement, les mécanismes de génération et de persistance des acouphènes sont méconnus et il demeure de nombreux questionnements dans la communauté scientifique. Notamment, aucun traitement curatif n’est disponible pour l’instant. Ce mémoire fait état des différents types d’acouphènes qui peuvent se manifester ainsi que des diverses thérapies étudiées pour le traitement des acouphènes. Les grands modèles neurobiologiques prédominants dans la littérature sont aussi présentés. De plus, ce mémoire étudie la neuromodulation non invasive comme nouvelle avenue de traitement pour les acouphènes. Nous avons réalisé une méta-analyse et une étude de modélisation afin d’évaluer l’efficacité de ce traitement pour les acouphènes ainsi que les impacts sur les substrats neurobiologiques des acouphènes. Les résultats de cette étude montrent que la neuromodulation non invasive magnétique (SMTr) diminue de manière statistiquement significative les scores d’évaluation de l’acouphène, et que ces effets sont plus marqués chez les femmes. Les résultats montrent aussi que la neuromodulation du cortex auditif est l’approche qui diminue le plus les acouphènes et qu’elle génère un champ électrique plus fort dans l’insula en comparaison à d’autres régions d’intérêt. Finalement, ce mémoire discute des principales méthodes d’évaluation des acouphènes ainsi que de l’effet placébo présent lors du traitement des acouphènes. Des parallèles avec la douleur chronique sont établis, afin d’orienter la recherche sur de prochains traitements. Le futur de la neuromodulation non invasive pour le traitement des acouphènes est aussi discuté en marge de perspectives et de limites du travail. / Tinnitus impacts a large proportion of Canadians. It is linked to various comorbidities that significantly affect the quality of life of those who suffer from it. Unfortunately, generation and maintenance mechanisms are still unclear and numerous questions remain in the scientific community. Notably, no cure is available for tinnitus as of now. This dissertation reports the different types of tinnitus that can occur, besides the diverse therapies that have been reviewed for the treatment of tinnitus. The main neurobiological models of tinnitus prevailing in the literature are also presented. Furthermore, this dissertation investigates noninvasive neuromodulation as a new approach to treat tinnitus. A meta-analysis and modeling study have evaluated the efficacy of this treatment for tinnitus along with its impact on neurobiological substrates of tinnitus. The results of the study show that repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) decreases statistically significantly tinnitus scores and that those effects are more marked in women. The results also show that noninvasive neuromodulation of the auditory cortex is the approach that decreases tinnitus the most and that this approach generates a stronger electric field in the insula among other regions of interest. Finally, this dissertation discusses the main methods to rate tinnitus and the placebo effect measured during tinnitus treatment. We also draw parallels with chronic pain, to orient prospective research. The future of noninvasive neuromodulation is also discussed in terms of treatment for tinnitus alongside perspectives and limits of the work.

Transcutaneous spinal direct current stimulation (tsDCS) is a non-invasive technique that can be used to modulate spinal function. It consists of applying a low-level direct current (DC) across the skin to modulate spinal excitability using surface electrodes. Recent research indicates that this technique can relieve musculoskeletal pain. In this study, we investigate the effect of a 20-min anodal tsDCS (2.5 mA) protocol applied over the thoracic spine on pressure pain threshold (PPT) measured in the thigh, leg and foot in healthy young adults. One primary focus of this study was to determine whether physical activity level, as a potential modulator of pain perception, could influence individual responses to tsDCS. A secondary aim was to also address the role of sex as another potential modulator of pain response. Thirty-five healthy young adults (age 18-35) were recruited for this study. Participants were assigned to either a moderately active (n=21, 12 females), or highly active group (n=14, 8 females) based on a self-report questionnaire (International Physical Activity Questionnaire). The effects were determined by comparing PPT measures at the three sites (thigh, leg, foot) at three time points with respect to tsDCS application: T0: before, T1: immediately after, and T2: 30 min post-application. Results from a multivariate analysis of variance revealed a large main effect of time (F=5.3, p<0.001) on PPTs. Univariate tests (F>16.2, p<0.001) confirmed that PPTs were significantly elevated post-application. In addition, the analysis revealed a significant “Group X Time” interaction (F=2.8, p=0.03), which was explained by a larger elevation in PPTs (thigh site) in the highly active group when compared to the moderately active group. No main effect or interaction was found for sex. Altogether, these results confirmed the anti-nociceptive effects of tsDCS application on mechanical pain threshold and further point to the importance of physical activity as a personal factor susceptible to modulate response to tsDCS.

La lombalgie chronique (LC) représente de nos jours un fardeau individuel et sociétal énorme. Le contrôle du tronc est complexe, il dépend de l'intégration des afférences périphériques et de l'interaction des régions cérébrales impliquées dans la matrice de la douleur. Les individus souffrant de lombalgie présentent des désordres de contrôle moteur de la colonne vertébrale et une modification de la plasticité du cerveau. Ces altérations semblent réversibles et peuvent être améliorées par différents exercices prescrits en physiothérapie. Par contre, même si les exercices diminuent la douleur, l'effet n'en demeure pas moins modeste. L'utilisation de la neurostimulation magnétique périphérique (rPMS) qui génère des informations sensorielles (entre autres proprioceptives cohérentes avec le contrôle des muscles) et qui agit donc sur l'excitabilité cérébrale et les mécanismes de plasticité pourrait potentialiser les gains atteints grâce aux exercices. L'objectif principal de la thèse est de mieux comprendre le contrôle cortical et postural des muscles du tronc, l'influence de la lombalgie chronique, des exercices et de de la neurostimulation périphérique. La série d'études proposée dans la thèse vise à (i) comprendre les changements présents au niveau du contrôle cortico-moteur des muscles multifides et des ajustements posturaux anticipatoires en lombalgie chronique (étude 1) ainsi que l'influence du côté de la douleur lombaire (étude 2); (ii) déterminer quel type d'exercice utilisé en physiothérapie (global ou isométrique) influence la plasticité corticale (étude 3) et; (iii) déterminer si l'ajout de rPMS potentialise ces effets (étude 4). Les données présentées dans la thèse confirment que les individus avec LC présentent des différences dans le fonctionnement du cortex moteur primaire par rapport aux individus en santé. De plus, le côté de la douleur semble influencer différemment l'excitabilité de base du M1. Enfin, nous avons démontré que l'exercice isométrique agissait de façon spécifique sur la plasticité du M1, ainsi que sur les ajustements posturaux anticipatoires, et que l'ajout des rPMS à l'exercice diminue immédiatement la douleur et modifie le contrôle des muscles multifides. D'autres études sont nécessaires pour confirmer le bénéfice des rPMS chez des populations souffrant de douleur chronique et pour un éventuel transfert clinique.

Malgré des traitements spécialisés et multidisciplinaires, les personnes souffrant du syndrome douloureux régional complexe (SDRC) peuvent conserver de la douleur et des limitations fonctionnelles qui s'expliqueraient par des changements cérébraux persistants, entre autres dans le cortex moteur primaire (M1). Étudier les changements de fonctionnement du M1 permettrait de mieux comprendre comment utiliser la neurostimulation non invasive, comme les stimulations magnétiques répétées en périphérie (rPMS des muscles, connues pour influencer la plasticité cérébrale), pour normaliser la fonction motrice corticale, réduire la douleur et augmenter les gains cliniques. Les objectifs de ce projet de maîtrise étaient donc de mieux comprendre la place dans la littérature de la neurostimulation non invasive en SDRC, de tester le fonctionnement de M1 en parallèle à la fonction sensorimotrice d'adultes avec SDRC au membre supérieur, ainsi que de mesurer l'effet d'une séance rPMS sur ces mesures et les symptômes de douleur de cette même population. Il a été observé que, indépendamment du côté atteint, l'excitabilité du M1 était asymétrique en SDRC avec une association avec la douleur et les troubles du mouvement. Les participants avec SDRC présentaient également une diminution et une latéralisation altérée des mesures de fonction sensorimotrice. Les rPMS ont permis de moduler bilatéralement l'excitabilité des M1 (diminution du débalancement) et, chez les personnes présentant avant la séance rPMS une hyperexcitabilité du M1 controlatéral au membre atteint, de diminuer leur douleur. Les rPMS ont également permis une amélioration de la fonction sensorimotrice et des changements centraux reliés à la plasticité cérébrale ont été mesurés dans l'hémisphère ipsilatéral au membre avec SDRC. Les rPMS seules ou comme adjuvant aux thérapies conventionnelles de réadaptation représentent donc une approche prometteuse pour dépasser les gains cliniques en SDRC. / Despite specialized and multidisciplinary treatments, people suffering from complex regional pain syndrome (CRPS) can present with persistent pain and functional limitations likely due to brain changes such as in the primary motor cortex (M1). Studying the changes of M1 functioning would permit to better understand how to use noninvasive neurostimulation, as repetitive peripheral magnetic stimulation (rPMS of muscles, known to influence brain plasticity) in CRPS to enable the normalization of cortical motor function, the reduction of pain and to go beyond gains already reached. The objectives of this master's project were thus to better understand the place in the literature of the noninvasive neurostimulation in SDRC, to test the functioning of M1 concurrent with the sensorimotor function of adults with CRPS of the upper limb, and to measure the effect of one rPMS session on these measures and pain symptoms of this same population. It has been measured that M1 excitability was asymmetrical in CRPS, regardless of the impaired side, with an association to pain and movement disorders. Participants with CRPS also exhibited a decreased and an altered lateralization of the measures of sensorimotor function. rPMS influenced bilateral M1 excitability (decrease of the imbalance) and, with people presenting before the rPMS session hyperactivity of M1 contralateral to the impaired limb, reduced pain. rPMS also improved sensorimotor function and central changes related to brain plasticity were measured in the hemisphere ipsilateral to the CRPS limb. rPMS alone or as adjuvant to conventional rehabilitation therapies thus represent a promising approach to overcome clinical gains in CRPS.