Objective: To determine the extent to which aspects of the Sport Concussion Assessment Tool 3 (SCAT3) or Child SCAT3 (C-SCAT3), and the King-Devick Test (KDT) predict Three-Dimensional Multiple Object Tracking (3D-MOT) speed. Participants: A sample of 304 healthy, non-concussed participants with a sporting history (101 females, 203 males) ranging in age from 7-29 years (mean age = 16.05 +/- 4.36) were included in the analysis. Methods: Participants completed the SCAT3, KDT and 3D-MOT in a single visit. Data Analysis: A regression analysis was performed to determine the extent to which aspects of the SCAT3 (immediate memory (IM), coordination (COOR), delayed recall (DR)), and the KDT predicted 3D-MOT speed. Results: Using the stepwise method, it was found that KDT, DR and COOR explain a significant amount of the variance in the speed of the 3D-MOT (F(3, 256)) = 11.82, p < .000 with an R2 = .12. The analysis shows that KDT (Beta = -0.01, p < .000), DR (Beta = 0.07, p < .02), and COOR (Beta = .23, p < .03), were significant predictors of 3D-MOT speed. Conclusions: This study suggests that the KDT, DR, and COOR significantly account for 12% of the 3D-MOT scores, however, there is a large portion of variability unaccounted for by the SCAT3 or C-SCAT3 and KDT. This shows that 3D-MOT likely accounts for central cognitive functions above and beyond the SCAT3 or C-SCAT3 and KDT. Future studies should examine this relationship at baseline, post-injury, and through concussion recovery. This could provide valuable information to better inform clinicians responsible for making return to play determinations. Keywords: Concussion, Mild Traumatic Brain Injury, 3D-MOT, King-Devick Test, Sport Concussion Assessment Tool 3, Child Sport Concussion Assessment Tool 3. / Graduate / 0769 / 0633 / 0566 / oslundk@uvic.ca

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L’association démontrée récemment entre les commotions cérébrales dans le sport et le développement possible de maladies neurodégénératives a suggéré la possibilité que des altérations persistantes soient présentes dans le cerveau de l’athlète commotionné. En fait, des altérations neurophysiologiques ont récemment été révélées au sein du cortex moteur primaire (M1) d’athlètes ayant un historique de commotions via la stimulation magnétique transcrânienne (SMT). Plus précisément, la période silencieuse corticale (PSC), une mesure d’inhibition liée aux récepteurs GABAB, était anormalement élevée, et cette hyper-inhibition était présente jusqu’à 30 ans post-commotion. La PSC, et possiblement le GABA, pourraient donc s’avérer des marqueurs objectifs des effets persistants de la commotion cérébrale. Toutefois, aucune étude à ce jour n’a directement évalué les niveaux de GABA chez l’athlète commotionné. Ainsi, les études cliniques et méthodologiques composant le présent ouvrage comportent deux objectifs principaux: (1) déterminer si l’inhibition excessive (GABA et PSC) est un marqueur des effets persistants de la commotion cérébrale; (2) déterminer s’il est possible de moduler l’inhibition intracorticale de façon non-invasive dans l’optique de développer de futurs avenues de traitements. L’article 1 révèle une préservation des systèmes sensorimoteurs, somatosensoriels et de l’inhibition liée au GABAA chez un groupe d’athlètes universitaires asymptomatiques ayant subi de multiples commotions cérébrales en comparaison avec des athlètes sans historique connu de commotion cérébrale. Cependant, une atteinte spécifique des mesures liées au système inhibiteur associé aux récepteurs GABAB est révélée chez les athlètes commotionnés en moyenne 24 mois post-commotion. Dans l’article 2, aucune atteinte des mesures SMT liées au système inhibiteur n’est révélée en moyenne 41 mois après la dernière commotion cérébrale chez un groupe d’athlètes asymptomatiques ayant subi 1 à 5 commotions cérébrales. Bien qu’aucune différence entre les groupes n’est obtenue quant aux concentrations de GABA et de glutamate dans M1 via la spectroscopie par résonance magnétique (SRM), des corrélations différentielles suggèrent la présence d’un déséquilibre métabolique entre le GABA et le glutamate chez les athlètes commotionnés. L’article 3 a démontré, chez des individus en bonne santé, un lien entre la PSC et la transmission glutamatergique, ainsi que le GABA et le glutamate. Ces résultats suggèrent que la PSC ne reflète pas directement les concentrations du GABA mesurées par la SRM, mais qu’un lien étroit entre la GABA et le glutamate est présent. L’article 4 a démontré la possibilité de moduler la PSC avec la stimulation électrique transcrânienne à courant direct (SÉTcd) anodale chez des individus en santé, suggérant l’existence d’un potentiel thérapeutique lié à l’utilisation de cette technique. L’article 5 a illustré un protocole d’évaluation des effets métaboliques de la SÉTcd bilatérale. Dans l’article 6, aucune modulation des systèmes GABAergiques révélées par la SMT et la SRM n’est obtenue suite à l’utilisation de ce protocole auprès d’individus en santé. Cet article révèle également que la SÉTcd anodale n’engendre pas de modulation significative du GABA et du glutamate. En somme, les études incluent dans le présent ouvrage ont permis d’approfondir les connaissances sur les effets neurophysiologiques et métaboliques des commotions cérébrales, mais également sur le mécanisme d’action des diverses méthodologies utilisées. / The recent demonstration of a link between sport concussions and the possible development of neurodegenerative disorders suggests that these injuries could induce long-term alterations in the brain of athletes. In fact, neurophysiological abnormalities have recently been shown via transcranial magnetic stimulation (TMS) in primary motor cortex (M1) of asymptomatic concussed athletes. Specifically, the cortical silent period (CSP), a measure of GABAB-related inhibition, was prolonged and this hyper-inhibition was observed up to 30 years post-concussion. Therefore, the CSP, and possibility abnormal GABA transmission, may become objective markers of lingering effects of sport concussions. However, no study to date has directly assessed GABA levels in concussed athletes. Therefore, the clinical and methodological studies included in the present thesis comprise two main objectives: (1) to determine whether excessive inhibition (GABA and CSP) is a marker of the persistent effects of concussion; (2) to assess the possibility of non-invasively modulating intracortical inhibition in order to develop future treatments aiming to normalize aberrant inhibition. Study 1 reveals normal sensorimotor interactions, somatosensory processing and GABAA-related intracortical inhibition in M1 of asymptomatic athletes who sustained multiple concussions in comparison with athletes who never sustained a concussion. However, a specific enhancement of GABAB-related intracortical inhibition is observed in athletes on average 24 months after the last concussion. In study 2, no alteration of GABAB-related intracortical inhibition is revealed in a group of athletes who sustained 1 to 5 sport concussions on average 41 months after the last concussion, in comparison with control athletes. In addition, while no alterations were present for GABA and glutamate levels in M1 using magnetic resonance spectroscopy (MRS), both groups displayed differential correlations between GABA and glutamate, which suggests the presence of a slight metabolic imbalance between the two metabolites in the concussed brain. Study 3 highlighted, in healthy individuals, a relationship between the CSP and MRS-derived glutamatergic transmission, as well as GABA and glutamate levels. These results reveal a link between excitatory and inhibitory transmission in M1 and suggest that the CSP does not directly reflect GABA concentrations measured with MRS. Results from study 4 showed that anodal transcranial direct current stimulation (tDCS) can reduce the length of the CSP in healthy individuals, suggesting the existence of a therapeutic potential associated with the use of this technique. Study 5 thoroughly describes a protocol that aims at assessing the effects of bilateral tDCS on M1 metabolism using MRS. Using this protocol, study 6 reveals, in healthy individuals, no significant modulation of GABAergic inhibition as assessed with MRS. The study also shows, in an additional experiment, that anodal tDCS does not modulate MRS-derived GABA and glutamate levels. In summary, the six studies included in the present thesis have helped increase our understanding of the neurophysiological and metabolic long-term effects of sport concussions. In addition, these experiments have shed light into the mechanism of action of several methods, including TMS, tDCS and MRS.

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.