L’exécution d’un mouvement purement unilatéral nécessite le recrutement d’un vaste réseau de régions corticales et sous-corticales, qu’il est possible de regrouper sous le terme de réseau de transformation non-miroir. Ce réseau doit contrer la tendance naturelle du cerveau à exécuter des mouvements de manière bilatérale et synchronisée, en miroir. Malgré l’efficacité de ce réseau, une activité miroir subtile est observée au niveau de la main qui doit demeurer inactive lors de mouvements unilatéraux chez l'humain en santé. Ce débordement moteur doit être inhibé grâce aux interactions interhémisphériques transitant par le corps calleux (CC), la plus grande commissure du cerveau servant de pont entre les hémisphères. Ainsi, la commande motrice peut être acheminée efficacement du cortex moteur primaire (M1) controlatéral à la main devant exécuter une l’action par l’entremise de la voie corticospianle (VCS). En plus du CC, le cortex prémoteur (CPM) joue un rôle important dans ce réseau puisque son interférence via la stimulation magnétique transcrânienne (SMT) entraîne une augmentation de l’activité miroir dans la main devant normalement demeurer inactive lors d’un mouvement unilatéral. Ainsi, toute modification dans ce réseau ou dans les processus interhémisphériques peut provoquer l’augmentation des mouvements miroirs (MM). À ce jour, aucune étude n’a tenté de moduler ces interactions pour réduire la présence de MM. Ainsi, les études cliniques et méthodologiques qui composent la présente thèse comportent deux objectifs principaux : (1) déterminer si la stimulation électrique transcrânienne à courant direct (SÉTcd) permet l'étude du réseau de transformation non-miroir, et si cette technique est en mesure de diminuer l’intensité des MM chez des individus en santé; (2) caractériser l'anatomie et le fonctionnement du cerveau dans deux populations d’individus porteurs de mutations génétiques affectant le développement de structures impliquées dans la latéralisation du mouvement, le CC et la VCS. L’article 1 décrit les assisses théoriques de la présente thèse grâce à une revue de la littérature portant sur les interactions interhémisphériques dans le mouvement unilatéral. L’article 2 suggère que la SÉTcd est un outil efficace dans l'étude du réseau de transformation non-miroir puisque le protocole de stimulation bilatérale a permis d’augmenter la présence et l’intensité des MM physiologiques (MMp) chez des individus en santé. Cependant, il n’a pas été possible de moduler à la baisse les MMp malgré différents protocoles de stimulation. Dans l’article 3, l'étude d’individus nés sans CC a mis en lumière une augmentation de l’épaisseur corticale au niveau des aires somatosensorielles (S1) et visuelles (V1) primaires, de même qu’au niveau de la représentation de la main dans M1. Ces différences demeurent toutefois légères considérant l’importance du CC. L’article 4 a démontré que les individus porteurs d’une mutation sur le gène DCC présentent un phénotype similaire à celui de porteurs d'une mutation sur le gène RAD51. Ces mutations affectent la migration de la VCS au niveau des pyramides. La VCS projette ainsi aux deux mains, causant des mouvements miroirs congénitaux (MMC). Cette pathologie est également accompagnée d’anomalies neurophysiologiques, telle qu’une inhibition interhémisphérique (IIH) réduite. En somme, les études composant cette thèse ont permis d’approfondir notre connaissance de certaines structures responsables de la latéralisation adéquate du mouvement, tout en décrivant de nouvelles méthodes pour en étudier le fonctionnement. / The execution of purely unilateral hand movements requires the recruitment of vast cortical and subcortical brain areas known as the non-mirroring network. This network counteracts the natural tendency of the brain, which tends to execute movements in a bilateral and synchronized manner. Despite the efficacy of the non-mirroring network in restricting motor output to contralateral limbs, subtle mirroring can be observed in the inactive hand of healthy individuals when performing a unilateral task. This motor overflow needs to be inhibited through interhemispheric projections coursing through the corpus callosum (CC), the biggest white matter tract of the brain. This mechanism makes it possible for motor commands originating from the primary motor cortex (M1) to reach the contralateral hand performing an action via the corticospinal tract (CST). It has been suggested that the premotor cortex (PMC) is an important component of the non-mirroring network since its interference with transcranial magnetic stimulation (TMS) enhances mirror activity in the inactive, mirror hand when a unilateral hand movement is performed. Indeed, modulation of parts of the non-mirroring network and interhemispheric projections can result in enhanced mirror movements (MM). It is not known whether specific interventions can decrease MM. The clinical and methodological studies that compose the present thesis have two main objectives: (1) Determine whether transcranial direct-current stimulation (tDCS) can be used to assess non-mirroring network function and reduce MM intensity in healthy individuals; (2) Characterize brain function and anatomy in two clinical populations presenting specific genetic mutations that affect the development of structures involved in the lateralization of movement (the CC and CST). Article 1 provides a theoretical basis for the present essay through a review of the literature pertaining to interhemispheric interactions in the production of unilateral movements. Article 2 shows that tDCS can be used to study the non-mirroring network since a bilateral stimulation protocol significantly increased the intensity of physiological MM (pMM) in healthy individuals. However, despite different stimulation protocols, it was not possible to reduce pMM. In article 3, anatomical MRIs performed in individuals born without a CC revealed increases in cortical thickness in primary somatosensory (S1) and visual (V1) cortex, as well as in the hand representation of M1. Taken together, however, the data suggest that anatomical differences between acallosal patients and healthy participants are relatively subtle considering the size and function of the CC. Article 4 showed that individuals presenting a mutation on the DCC gene display a phenotype similar to that of individuals presenting a mutation on the RAD51 gene. DCC mutations affect the crossing of the CST at the pyramidal level, resulting in a CST that projects to both hands simultaneously, causing congenital mirror movements (CMM). This pathological condition is accompanied by neurophysiological anomalies that include reduced interhemispheric inhibition (IHI). In summary, the studies comprised in the present thesis significantly increase our knowledge of the specific brain structures that enable the proper lateralization of movements. It also describes novel methods that can be used to investigate the non-mirroring network.

Il existe différents facteurs pouvant altérer la récupération fonctionnelle de patients souffrant de traumatismes orthopédiques (TO), dont le fait de subir un traumatisme craniocérébral (TCC) concomitant. Le profil de traumatismes combinés (TCC et TO) a principalement été étudié en contexte de blessures jugées sévères (TCC modéré/sévère et multiples fractures), notamment dans un souci de maximiser la récupération de ces patients et le déploiement des ressources médicales. Par ailleurs, la littérature demeure limitée en ce qui a trait à l’impact de subir un TCC en contexte de blessures jugées moins sévères, soit un TCC léger (TCCL) et une fracture isolée (un seul os fracturé), bien qu’il s’agisse de deux blessures à très forte incidence et qu’elles partagent diverses similarités (p.ex. : mécanismes d’accidents et physiologiques communs). Ainsi, la présente thèse s’est spécifiquement intéressée à cette population aux prises avec une fracture isolée avec, ou sans, TCCL concomitant. Dans un premier temps, les travaux de la thèse ont permis d’investiguer la fréquence de TCCL concomitant en contexte de fracture isolée (article 1) ainsi que son impact sur la récupération post-fracture selon diverses mesures cliniques (articles 2, 3, 4). Les résultats ont démontré que le TCCL était fréquent, quoique fortement sous-diagnostiqué, chez des patients vus au département d’urgence (DU) pour une fracture isolée et que sa présence avait un impact significatif sur le niveau de douleur perçu, le délai pour retourner au travail et le risque de développer de l’ossification hétérotopique (forme de complications orthopédiques). Dans un deuxième temps, la présente thèse a utilisé une approche théorique (article 5) et clinique (article 6) afin d’étudier les mécanismes physiologiques sous-tendant la perception de douleur, symptôme clé suite à une fracture, dans un souci de limiter les risques de chronicisation de la douleur et de proposer des méthodes d’intervention ciblées selon la population étudiée. Les travaux ont notamment mis en lumière une association entre l’intensité de douleur rapportée par des patients en phase aiguë post-fracture et le degré d’atteintes des mécanismes d’excitabilité corticale du cortex moteur primaire mesurées par l’entremise de la stimulation magnétique transcranienne (SMT). Enfin, sur la base d’évidences théoriques soulevées dans un article de revue de la présente thèse, il semble y avoir une pertinence dans l’utilisation de la SMT auprès de la population orthopédique comme méthode d’investigation et d’intervention, considérant sa capacité à cibler les mécanismes physiologiques impliqués dans la transition de la douleur aiguë à la douleur chronique. / A variety of factors can affect the functional recovery of patients with an orthopedic trauma (OT), including concomitant traumatic brain injuries (TBI). The recovery profile of patients with combined traumas (OT and TBI) has been studied primarily in the context of severe injuries (moderate/severe TBI and multiple fractures), in order to maximize recovery and medical resources. On the other hand, there is limited evidence on the impact of concomitant TBI in the context of milder injuries, such as in patients sustaining a mild TBI combined with an isolated limb fracture, despite both injuries being highly prevalent and sharing various similarities (e.g., overlapping injury mechanisms and physiological mechanisms). The current thesis sought to bridge this knowledge gap via a multifaceted approach. We first investigated the risk of sustaining a concomitant mild TBI in patients with an isolated limb fracture (article 1) as well as its impact on post-fracture recovery according to various clinical measures (articles 2, 3, 4). The results showed that mild TBI was frequent, although highly underdiagnosed, in patients seeking care for an isolated limb fracture in the emergency department. Moreover, the presence of a concomitant mild TBI had a significant detrimental impact on the level of perceived pain, on return to work delays, and on the risks of developing heterotopic ossification (a type of orthopedic complication). Secondly, this thesis used a theoretical (article 5) and a clinical (article 6) approach to study the physiological mechanisms underlying pain perception, a key symptom following a fracture, in order to limit the risks for pain chronification and to propose intervention methods tailored to the studied population. In particular, results highlighted an association between pain intensity as perceived by patients in the acute phase post-fracture and the degree of cortical excitability impairments of the primary motor cortex, as measured by transcranial magnetic stimulation (TMS). Finally, based on theoretical evidence highlighted in a review article included in this thesis, there are evidence supporting the use of TMS in a traumatically injured population as a method to investigate and intervene given its ability to target key physiological mechanisms involved in the transition from acute to chronic pain.

Il existe des projections corticospinales (CS) vers les motoneurones (MNs) aussi bien contra- (c) qu’ipsilatérales (i). Les influences CSc sur les MNs du poignet sont connues pour être modulées entre autres par la position du poignet et les afférences cutanées. Pour cette raison, notre objectif était de vérifier si ces caractéristiques sont aussi valides pour les influences CSi. En utilisant la stimulation transcrânienne magnétique au niveau du cortex primaire droit, nous avons tout d’abord comparé les influences CSi sur les MNs des fléchisseurs du poignet à des positions maintenues de flexion et d’extension durant une tâche uni-manuelle ainsi que deux tâches bimanuelles, ceci chez des sujets droitiers (n=23). Nous avons ensuite comparé les influences CSi dans cinq tâches bi-manuelles de tenue d’objet durant lesquelles les sujets avaient à tenir entre leurs mains un bloc à la surface soit lisse, soit rugueuse, dont le poids était supporté ou non, ceci en position de flexion (n=21). Dans une tâche, un poids était ajouté au bloc lisse en condition non supportée pour amplifier les forces de préhension requises. Une modulation positiondépendante était observée au niveau des potentiels évoqués moteurs (iPEM), mais seulement lors de la tâche bi-manuelle quand les deux mains interagissaient via un bloc (p= 0.01). Une modulation basée sur la texture était également présente, quel que soit le support de poids, et le bloc lisse était associé avec des iPEMs plus importants en comparaison avec le bloc rugueux (p= 0.001). Ainsi, les influences CSi sur les MNs n’étaient modulées que lors des tâches bi-manuelles et dépendaient de la manière dont les mains interagissaient. De plus, les afférences cutanées modulaient les influences CSi facilitatrices et pourraient ainsi participer à la prise en main des objets. Il en est conclu que les hémisphères droit et gauche coopèrent durant les tâches bimanuelles impliquant la tenue d’objet entre les mains, avec la participation potentielle de projections mono-, et poly-synaptiques, transcallosales inclues. La possibilité de la contribution de reflexes cutanés et d’étirement (spinaux et transcorticaux) est discutée sur la base de la notion que tout mouvement découle du contrôle indirect, de la « référence » (referent control). Ces résultats pourraient être essentiels à la compréhension du rôle des interactions interhémisphériques chez les sujets sains et cliniques. / There are both contra- (c) and ipsilateral (i) corticospinal (CS) projections to motoneurons (MNs). There is evidence that cCS influences on wrist MNs are modulated by wrist position and cutaneous afferents. Thus, we aimed to test whether these findings are valid for iCS influences as well. Using transcranial magnetic stimulation applied over the right primary motor cortex, we first compared iCS influences on wrist flexor MNs at actively maintained flexion and extension wrist positions in one uni- and two bimanual tasks in right-handed subjects (n=23). We further compared iCS influences in five bimanual holding tasks in which subjects had to hold a smooth or coarse block between their hands, with or without its weight being supported, in flexion position (n=21). In one task, a weight was added to the unsupported smooth block to increase load forces. A position-dependent modulation of the short-latency motor evoked potential (iMEP) was observed, but only in the bimanual task when the two hands interacted through a block (p=0.01). A texture-dependent modulation was present regardless of the weight supported, and the smooth block was associated with larger iMEPs in comparison to the coarse block (p=0.001). Hence, iCS influences on MNs were modulated only in bimanual tasks and depended on how the two hands interacted. Furthermore, cutaneous afferents modulated facilitatory iCS influences and thus may participate to grip forces scaling and maintaining. It is concluded that the left and right cortices cooperate in bimanual tasks involving holding an object between the hands, with possible participation of mono- and poly-synaptic, including transcallosal projections to MNs. The possible involvement of spinal and trans-cortical stretch and cutaneous reflexes in bimanual tasks when holding an object is discussed based on the notion that indirect, referent control underlies motor actions. Results might be essential for the understanding of the role of intercortical interaction in healthy and neurological subjects.

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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.

Les patients atteints de maladie de Parkinson présentent des troubles de la marche, parfois paroxystiques, pouvant être aggravés ou améliorés par les stimuli environnementaux. L'attention portée, soit aux stimuli extérieurs, soit à la marche, pourrait ainsi moduler la locomotion.L’objectif principal était donc de mieux caractériser la manière dont les stimuli environnementaux modulent par le biais de réseaux attentionnels la locomotion. Ceci a été étudié chez les sujets sains puis chez les patients parkinsoniens, avec ou sans enrayage cinétique.Nous avons d'abord défini précisément les déficits attentionnels des patients, avec ou sans troubles de la marche. Ils présentaient respectivement des difficultés en flexibilité mentale et plus particulièrement en attention divisée.Nous avons ensuite exploré l'interaction attention-locomotion grâce à l'étude de la préparation motrice. Ainsi, nous avons pu démontrer que les ajustements posturaux anticipés étaient un marqueur sensible de l’attention. Chez les patients, ils pouvaient témoigner d’une altération de l'interaction attention-programmation motrice.L'étude des régions cérébrales activées lors de la locomotion visuo-guidée chez ces patients a permis de confirmer l'implication de structures corticales attentionnelles. Un déséquilibre d’activation au sein du réseau pariéto-prémoteur (nécessaire à la modulation de l'action motrice en fonction des stimuli externes) était présent.Enfin, nous avons essayé de modifier l'excitabilité du cortex prémoteur via des techniques de stimulation magnétique transcrânienne répétitive afin de moduler la locomotion visuo-guidée. / Patients with Parkinson 's disease present gait impairments, sometimes sudden and unexpected, either improved or deteriorated with environmental stimuli. Attention focalization, either on external stimuli or on gait, could then modulate locomotion.The main objective was to better characterize how environmental stimuli would modulate locomotion, via attentional networks, in healthy subjects and in parkinsonian patients, with or without freezing of gait.At first, we precisely defined the attentional deficits in patients, with or without gait impairment. They showed altered performance respectively in mental flexibility and in divided attention.Then, we explored the attention-locomotion interaction by studying motor preparation. So, we highlighted that anticipatory postural adjustments were a sensitive marker of attention. In patients, they evidenced an alteration of the attention-motor program interaction.Studying the brain activation during the visuo-driven locomotion in these patients confirmed the involvement of cortical attentional regions. We observed an imbalance inside the parieto-premotor network (useful to modulate motor action according external stimuli)Finally, we tried to change the excitability of the premotor cortex with transcranial magnetic stimulation to modulate visuo-driven locomotion.