A brain-computer interface for navigation in virtual reality

L'interface cerveau-ordinateur (ICO) décode les signaux électriques du cerveau requise par l’électroencéphalographie et transforme ces signaux en commande pour contrôler un appareil ou un logiciel. Un nombre limité de tâches mentales ont été détectés et classifier par différents groupes de recherche. D’autres types de contrôle, par exemple l’exécution d'un mouvement du pied, réel ou imaginaire, peut modifier les ondes cérébrales du cortex moteur. Nous avons utilisé un ICO pour déterminer si nous pouvions faire une classification entre la navigation de type marche avant et arrière, en temps réel et en temps différé, en utilisant différentes méthodes. Dix personnes en bonne santé ont participé à l’expérience sur les ICO dans un tunnel virtuel. L’expérience fut a était divisé en deux séances (48 min chaque). Chaque séance comprenait 320 essais. On a demandé au sujets d’imaginer un déplacement avant ou arrière dans le tunnel virtuel de façon aléatoire d’après une commande écrite sur l'écran. Les essais ont été menés avec feedback. Trois électrodes ont été montées sur le scalp, vis-à-vis du cortex moteur. Durant la 1re séance, la classification des deux taches (navigation avant et arrière) a été réalisée par les méthodes de puissance de bande, de représentation temporel-fréquence, des modèles autorégressifs et des rapports d’asymétrie du rythme β avec classificateurs d’analyse discriminante linéaire et SVM. Les seuils ont été calculés en temps différé pour former des signaux de contrôle qui ont été utilisés en temps réel durant la 2e séance afin d’initier, par les ondes cérébrales de l'utilisateur, le déplacement du tunnel virtuel dans le sens demandé. Après 96 min d'entrainement, la méthode « online biofeedback » de la puissance de bande a atteint une précision de classification moyenne de 76 %, et la classification en temps différé avec les rapports d’asymétrie et puissance de bande, a atteint une précision de classification d’environ 80 %.

Quantification of standing balance in survivors of childhood posterior fossa brain tumours

Malgré un intérêt grandissant pour la question du devenir des survivants de tumeur cérébrale pédiatrique, l’évaluation de leur équilibre est souvent négligée. Les objectifs de nos travaux étaient de 1) examiner les écrits portant sur l’équilibre chez les survivants de tumeur cérébrale pédiatrique; 2) comparer l'équilibre debout et la qualité de vie entre les survivants et un groupe d’enfants témoins; et 3) examiner l'association entre l'équilibre debout et qualité de vie chez les survivants. Notre recension des écrits démontra que les survivants de tumeur cérébrale présentent des troubles de l’équilibre, mais les limites méthodologiques des études nous empêchent de conclure de manière définitive. Ensuite, nous avons recruté un groupe d’enfants survivants d’une tumeur cérébrale de la fosse postérieure et un groupe d’enfants sains. Leur équilibre était évalué à l’aide du Bruininks-Oseretsky Test of Motor Proficiency-2nd edition (BOT-2) et du Pediatric Balance Scale (PBS). Certains participants ont aussi été évalués avec une plate-forme de force où les limites de stabilité étaient documentées. Finalement, tous les enfants et leurs parents remplissaient le Pediatric Quality of Life Inventory (PedsQL4.0). Nos résultats démontrent que les survivants présentent une diminution de l’équilibre mise en évidence par le BOT-2, mais que leur qualité de vie est similaire aux enfants sains. La performance au BOT-2 est associée à la dimension physique du PedsQL4.0, suggérant une relation entre l’équilibre et la qualité de vie. Nos résultats suggèrent qu’une évaluation de l’équilibre pourrait être bénéfique chez cette clientèle afin de mieux cerner ses besoins de réadaptation.

Warfarin-induced vitamin K deficiency is associated with cognitive and behavioral perturbations, and alterations in brain sphingolipids in rats

La Vitamine K (VK) est largement reconnue pour son rôle dans la coagulation sanguine toutefois, de plus en plus de travaux indiquent son implication dans la fonction cérébrale. La VK est requise pour l'activation de différentes protéines, par exemple la protéine Gas6, et la ménaquinone-4 (MK-4), le principal vitamère K dans le cerveau, est impliquée dans le métabolisme des sphingolipides. Dans un rapport précédent, nous avons montré qu'un régime alimentaire faible en VK tout au long de la vie était associé à des déficits cognitifs chez des rats âgés. La warfarine sodique est un puissant antagoniste de la VK qui agit en bloquant le cycle de la VK, provoquant un «déficit relatif de VK » au niveau cellulaire. À la lumière du rôle émergent de la VK dans le cerveau, la warfarine pourrait représenter un facteur de risque pour la fonction cérébrale. Ce travail est donc pertinente en raison de la forte proportion d'adultes traîtés à la warfarine sodique. Dans la présente étude, 14 rats mâles Wistar ont été traités avec 14 mg de warfarine/kg /jour (dans l'eau potable) et des injections sous-cutanées de VK (85 mg/kg), 3x/sem, pendant 10 semaines. Quatorze rats témoins ont été traités avec de l'eau normale et injectés avec une solution saline. Les rats ont été soumis à différents tests comportementaux après quoi les niveaux de phylloquinone, MK-4, sphingolipides (cérébroside, sulfatide, sphingomyéline, céramide et gangliosides), et les sous-types de gangliosides (GT1b, GD1a, GM1, GD1b), ont été évalués dans différentes régions du cerveau. Comparativement aux rats du groupe contrôle, les rats traités à la warfarine présentaient des latences plus longues au test de la piscine de Morris (p <0,05) ainsi qu'une hypoactivité et un comportement exploratoire plus faible au test de « l’open field » (p <0,05). Le traitement par warfarine a également entraîné une diminution spectaculaire du niveau de MK-4 dans toutes les régions du cerveau (p <0,001), une altération des concentrations de sphingolipidiques, en particulier dans le cortex frontal et le mésencéphale (p <0,05), et une perte de différences régionales sphingolipidiques, notamment pour les gangliosides. Le traitement par warfarine a été associé à un niveau inférieur de GD1a dans l'hippocampe et un niveau supérieur de GT1b dans le cortex préfrontal et le striatum. En conclusion, la déficience en VK induite par warfarine altère les niveaux de VK et sphingolipides dans le cerveau, avec de potentiels effets néfastes sur les fonctions cérébrales.

Brain edema in acute liver failure and chronic liver disease: Similarities and differences.

Hepatic encephalopathy (HE) is a complex neuropsychiatric syndrome that typically develops as a result of acute liver failure or chronic liver disease. Brain edema is a common feature associated with HE. In acute liver failure, brain edema contributes to an increase in intracranial pressure, which can fatally lead to brain stem herniation. In chronic liver disease, intracranial hypertension is rarely observed, even though brain edema may be present. This discrepancy in the development of intracranial hypertension in acute liver failure versus chronic liver disease suggests that brain edema plays a different role in relation to the onset of HE. Furthermore, the pathophysiological mechanisms involved in the development of brain edema in acute liver failure and chronic liver disease are dissimilar. This review explores the types of brain edema, the cells, and pathogenic factors involved in its development, while emphasizing the differences in acute liver failure versus chronic liver disease. The implications of brain edema developing as a neuropathological consequence of HE, or as a cause of HE, are also discussed.

Nature of crossmodal plasticity in the blind brain and interplay with sight restoration

Thèse réalisée en cotutelle avec l'Université catholique de Louvain.

Comparative costs and outcomes of traumatic brain injury from biking accidents with or without helmet use

Contexte: Évaluer les déterminants de maladies évitables et leurs coûts est nécessaire dans le contexte d’assurance maladie universelle. Le moment d’évaluer les impacts des traumatismes crâniocérébraux (TCC) survenus lors d’accidents de vélo est idéal vu la popularité récente du cyclisme au Québec. Objectifs: Comparer les caractéristiques démographiques et médicales, ainsi que les coûts sociétaux qu’engendrent les TCC de cyclistes portant ou non un casque. Méthodologie: Étude rétrospective de 128 cyclistes avec TCC admis à l’Hôpital Général de Montréal entre 2007 et 2011. Les variables indépendantes sont sociodémographiques, cliniques et le port du casque. Les variables dépendantes sont la durée de séjour, l’échelle GOS-E, l’échelle ISS, l’orientation au congé, les décès et les coûts à la société. Résultats: Le groupe portant un casque était plus vieux, plus éduqué, retraité et marié; au niveau médical, ils avaient des TCCs moins sévères à l’imagerie, des hospitalisations aux soins intensifs plus courtes et moins de neurochirurgies. Les coûts médians à la société pour les TCC isolés de cyclistes avec casque étaient significativement moindres. Conclusion: Dans cette étude, le port du casque semblait prévenir certaines complications des TCC et permettait de faire économiser de l’argent à l’état. Le port de casque est recommandé.

Association of reduced extracellular brain ammonia, lactate, and intracranial pressure in pigs with acute liver failure.

We previously demonstrated in pigs with acute liver failure (ALF) that albumin dialysis using the molecular adsorbents recirculating system (MARS) attenuated a rise in intracranial pressure (ICP). This was independent of changes in arterial ammonia, cerebral blood flow and inflammation, allowing alternative hypotheses to be tested. The aims of the present study were to determine whether changes in cerebral extracellular ammonia, lactate, glutamine, glutamate, and energy metabolites were associated with the beneficial effects of MARS on ICP. Three randomized groups [sham, ALF (induced by portacaval anastomosis and hepatic artery ligation), and ALF+MARS] were studied over a 6-hour period with a 4-hour MARS treatment given beginning 2 hours after devascularization. Using cerebral microdialysis, the ALF-induced increase in extracellular brain ammonia, lactate, and glutamate was significantly attenuated in the ALF+MARS group as well as the increases in extracellular lactate/pyruvate and lactate/glucose ratios. The percent change in extracellular brain ammonia correlated with the percent change in ICP (r(2) = 0.511). Increases in brain lactate dehydrogenase activity and mitochondrial complex activity for complex IV were found in ALF compared with those in the sham, which was unaffected by MARS treatment. Brain oxygen consumption did not differ among the study groups. Conclusion: The observation that brain oxygen consumption and mitochondrial complex enzyme activity changed in parallel in both ALF- and MARS-treated animals indicates that the attenuation of increased extracellular brain ammonia (and extracellular brain glutamate) in the MARS-treated animals reduces energy demand and increases supply, resulting in attenuation of increased extracellular brain lactate. The mechanism of how MARS reduces extracellular brain ammonia requires further investigation.

L-ornithine phenylacetate attenuates increased arterial and extracellular brain ammonia and prevents intracranial hypertension in pigs with acute liver failure.

Hyperammonemia is a feature of acute liver failure (ALF), which is associated with increased intracranial pressure (ICP) and brain herniation. We hypothesized that a combination of L-ornithine and phenylacetate (OP) would synergistically reduce toxic levels of ammonia by (1) L-ornithine increasing glutamine production (ammonia removal) through muscle glutamine synthetase and (2) phenylacetate conjugating with the ornithine-derived glutamine to form phenylacetylglutamine, which is excreted into the urine. The aims of this study were to determine the effect of OP on arterial and extracellular brain ammonia concentrations as well as ICP in pigs with ALF (induced by liver devascularization). ALF pigs were treated with OP (L-ornithine 0.07 g/kg/hour intravenously; phenylbutyrate, prodrug for phenylacetate; 0.05 g/kg/hour intraduodenally) for 8 hours following ALF induction. ICP was monitored throughout, and arterial and extracellular brain ammonia were measured along with phenylacetylglutamine in the urine. Compared with ALF + saline pigs, treatment with OP significantly attenuated concentrations of arterial ammonia (589.6 +/- 56.7 versus 365.2 +/- 60.4 mumol/L [mean +/- SEM], P= 0.002) and extracellular brain ammonia (P= 0.01). The ALF-induced increase in ICP was prevented in ALF + OP-treated pigs (18.3 +/- 1.3 mmHg in ALF + saline versus 10.3 +/- 1.1 mmHg in ALF + OP-treated pigs;P= 0.001). The value of ICP significantly correlated with the concentration of extracellular brain ammonia (r(2) = 0.36,P< 0.001). Urine phenylacetylglutamine levels increased to 4.9 +/- 0.6 micromol/L in ALF + OP-treated pigs versus 0.5 +/- 0.04 micromol/L in ALF + saline-treated pigs (P< 0.001).Conclusion:L-Ornithine and phenylacetate act synergistically to successfully attenuate increases in arterial ammonia, which is accompanied by a significant decrease in extracellular brain ammonia and prevention of intracranial hypertension in pigs with ALF.

AST-120 (spherical carbon adsorbent) lowers ammonia levels and attenuates brain edema in bile duct-ligated rats

The pathogenesis of hepatic encephalopathy is multifactorial, involving gut-derived toxins such as ammonia, which has been demonstrated to induce oxidative stress. Therefore, a primary hepatic encephalopathy treatment target is reducing ammonia production in the gastrointestinal tract. AST-120, an oral adsorbent of engineered activated carbon microspheres with surface areas exceeding 1600 m(2) /g, acts as a sink for neurotoxins and hepatotoxins present in the gut. We evaluated the capacity of AST-120 to adsorb ammonia in vitro and to lower blood ammonia, oxidative stress and brain edema in cirrhotic rats. Cirrhosis was induced in rats by bile duct ligation for 6 weeks. AST-120 was administered by gavage preventively for 6 weeks (0.1, 1, and 4 g/kg/day). In addition, AST-120 was evaluated as a short-term treatment for 2 weeks and 3 days (1 g/kg/day) and as a sink to adsorb intravenously infused ammonium acetate. In vitro, AST-120 efficiently adsorbed ammonia. Ammonia levels significantly decreased in a dose-dependent manner for all AST-120-treated bile duct-ligated rats (nontreated: 177.3 ± 30.8 μM; AST-120, 0.1 g/kg/day: 121.9 ± 13.8 μM; AST-120, 1 g/kg/day: 80.9 ± 30.0 μM; AST-120, 4 g/kg/day: 48.8 ± 19.6 μM) and significantly correlated with doses of AST-120 (r = -0.6603). Brain water content and locomotor activity normalized after AST-120 treatments, whereas arterial reactive oxygen species levels remained unchanged. Furthermore, AST-120 significantly attenuated a rise in arterial ammonia after ammonium acetate administration (intravenously). Conclusion:AST-120 treatment decreased arterial ammonia levels, normalized brain water content and locomotor activity but did not demonstrate an effect on systemic oxidative stress. Also, AST-120 acts as an ammonia sink, efficiently removing blood-derived ammonia. Additional studies are warranted to evaluate the effects of AST-120 on hepatic encephalopathy in patients with advanced liver disease. (HEPATOLOGY 2011;).

Increased brain lactate is central to the development of brain edema in rats with chronic liver disease

The pathogenesis of brain edema in patients with chronic liver disease (CLD) and minimal hepatic encephalopathy (HE) remains undefined. This study evaluated the role of brain lactate, glutamine and organic osmolytes, including myo-inositol and taurine, in the development of brain edema in a rat model of cirrhosis.Six-week bile-duct ligated (BDL) rats were injected with (13)C-glucose and de novo synthesis of lactate, and glutamine in the brain was quantified using (13)C nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR). Total brain lactate, glutamine, and osmolytes were measured using (1)H NMR or high performance liquid chromatography. To further define the interplay between lactate, glutamine and brain edema, BDL rats were treated with AST-120 (engineered activated carbon microspheres) and dichloroacetate (DCA: lactate synthesis inhibitor).Significant increases in de novo synthesis of lactate (1.6-fold, p<0.001) and glutamine (2.2-fold, p<0.01) were demonstrated in the brains of BDL rats vs. SHAM-operated controls. Moreover, a decrease in cerebral myo-inositol (p<0.001), with no change in taurine, was found in the presence of brain edema in BDL rats vs. controls. BDL rats treated with either AST-120 or DCA showed attenuation in brain edema and brain lactate. These two treatments did not lead to similar reductions in brain glutamine.Increased brain lactate, and not glutamine, is a primary player in the pathogenesis of brain edema in CLD. In addition, alterations in the osmoregulatory response may also be contributing factors. Our results suggest that inhibiting lactate synthesis is a new potential target for the treatment of HE.

Where there's smoke, there's fire : the brain reactivity of chronic smokers to anti-smoking stimuli

Contexte: Plusieurs études ont démontré que les indices environnementaux associés à la cigarette peuvent provoquer des envies de consommer (« cravings ») chez les fumeurs, ce qui nuit aux efforts d’abandon de la substance et favorise le maintien du tabagisme. Un bon nombre d’études en imagerie cérébrale ont examiné les bases neurophysiologiques de cette caractéristique clinique. Le tabagisme se caractérise aussi par l’incapacité des représentations négatives de la consommation (méfaits médicaux et sociaux) d’influencer la consommation des fumeurs. Étonnamment toutefois, très peu de travaux de recherche se sont intéressés à examiner les bases neurophysiologiques de cette insouciance envers les méfaits de la cigarette chez les fumeurs. En utilisant l'imagerie cérébrale fonctionnelle, l'objectif de cette étude était: d’examiner la réponse neurophysiologique des fumeurs chroniques à des images qui illustrent les effets négatifs de la cigarette (campagne anti-tabac); d’examiner le caractère affectif de cette réactivité utilisant des conditions contrôles (c.-à-d., images aversives non-liées au tabac et appétitives liées au tabac); d'examiner la connectivité fonctionnelle durant cette tâche entre les systèmes affectifs et exécutifs (une interaction qui peut favoriser ou entraver l'impact des évènements aversifs). Méthodes: 30 fumeurs chroniques ont passé une session de neuroimagerie durant laquelle ils devaient regarder des images appétitives et aversives de cigarettes, des images aversives non-reliées au tabac et des images neutres. Résultats: Les images aversives liés au tabagisme suscitent une plus grande activation dans le cortex médial préfrontal, l'amygdale, le gyrus frontal inférieur et le cortex orbitofrontal latéral en comparaison avec les images neutres, mais une moins grande activation dans des structures médiaux / sous-corticales comparé aux images aversives non-reliés et images appétitives reliées aux tabac. L’activité du système exécutif présente une connectivité fonctionnelle négative avec le système affectif lorsque les images aversives sont liées au tabac, mais pas quand elles ne le sont pas. Conclusions: Le modèle d'activation du cerveau observé suggère qu’il y a un biais dans la réactivité des fumeurs chroniques lorsqu’ils observent des représentations négatives de la consommation du tabac. L’activité du système exécutif cérébral semble promouvoir chez les fumeurs une baisse d’activité dans des régions impliquées dans la genèse d’une réponse physiologique affective; il s’agit d’un mécanisme qui permettrait de réduire l’impact persuasif de ces représentations des méfaits de la cigarette sur la consommation des fumeurs.

Early adversity, brain development and emotion processing in monozygotic twins

Il existe actuellement de nombreuses preuves démontrant que des facteurs génétiques et environnementaux interagissent pendant des périodes spécifiques du développement pour rendre une personne vulnérable aux troubles psychologiques via diverses adaptations physiologiques. Cette thèse porte sur l'impact de l’adversité prénatale (représentée par le petit poids à la naissance, PPN) et de l’adversité postnatale précoce (symptômes dépressifs maternels et comportements maternels négatifs), sur le développement du cerveau, particulièrement les régions fronto-limbiques impliquées dans le traitement des émotions, pendant l'enfance et l'adolescence. Des jumeaux monozygotes (MZ) sont utilisés, lorsque possible, afin de contrôler pour les effets génétiques. Les chapitres 1 et 2 présentent les résultats de la vérification de l'hypothèse que l’adversité prénatale et postnatale précoce sont associées à une altération du fonctionnement des régions fronto-limbique tels que l’amygdale, l’hippocampe, l’insula, le cortex cingulaire antérieur et le cortex préfrontal, en réponse à des stimuli émotifs chez des enfants et des adolescents. On observe que les symptômes dépressifs maternels sont associés à une activation plus élevée des régions fronto-limbiques des enfants en réponse à la tristesse. Les résultats de l’étude avec des adolescents suggèrent que le PPN, les symptômes dépressifs et les comportements maternels négatifs sont associés à une fonction altérée des régions fronto-limbiques en réponse à des stimuli émotionnels. Chez les jumeaux MZ on observe également que la discordance intra-paire de PPN et de certains comportements maternels est associée à une discordance intra-paire du fonctionnement du cerveau et que ces altérations diffèrent selon le sexe. Le chapitre 3 présente les résultats de la vérification de l'hypothèse que l’adversité prénatale et postnatale précoce sont associées à un volume total réduit du cerveau et de l’hypothèse que les comportements maternels peuvent servir de médiateur ou de modérateur de l'association entre le PPN et le volume du cerveau. Avec des jumeaux MZ à l’adolescence on observe a) que le PPN est effectivement associé à une diminution du volume total du cerveau et b) que la discordance intra-paire de PPN est associée à une discordance du volume du cerveau. En somme, cette thèse présente un ensemble de résultats qui soutiennent deux hypothèses importantes pour comprendre les effets de l’environnement sur le développement du cerveau : que l’environnement prénatal et postnatal précoce ont un impact sur le développement du cerveau indépendamment du code génétique et que les mécanismes impliqués peuvent différer entre les garçons et les filles. Finalement, l’ensemble de ces résultats sont discutés à la lumière des autres travaux de recherche dans ce domaine et des avenues à explorer pour de la recherche ultérieure sont proposées.

Rest-activity cycle disturbances in the acute phase of moderate to severe traumatic brain injury

Background. Sleep-wake disturbances are among the most persistent sequelae after traumatic brain injury (TBI) and probably arise during the hospital stay following TBI. These disturbances are characterized by difficulties sleeping at night and staying awake during the day. Objective. The aim of the present study was to document rest-activity cycle consolidation in acute moderate/severe TBI using actigraphy and to assess its association with injury severity and outcome. Methods. In all, 16 hospitalized patients (27.1 ± 11.3 years) with moderate/severe TBI wore actigraphs for 10 days, starting in the intensive care unit (ICU) when continuous sedation was discontinued and patients had reached medical stability. Activity counts were summed for daytime (7:00-21:59 hours) and nighttime periods (22:00-6:59 hours). The ratio of daytime period activity to total 24-hour activity was used to quantify rest-activity cycle consolidation. An analysis of variance was carried out to characterize the evolution of the daytime activity ratio over the recording period. Results. Rest-activity cycle was consolidated only 46.6% of all days; however, a significant linear trend of improvement was observed over time. Greater TBI severity and longer ICU and hospital lengths of stay were associated with poorer rest-activity cycle consolidation and evolution. Patients with more rapid return to consolidated rest-activity cycle were more likely to have cleared posttraumatic amnesia and have lower disability at hospital discharge. Conclusions. Patients with acute moderate/ severe TBI had an altered rest-activity cycle, probably reflecting severe fragmentation of sleep and wake episodes, which globally improved over time. A faster return to rest-activity cycle consolidation may predict enhanced brain recovery.

Specificity of cognitive and behavioral complaints in post-traumatic stress disorder and mild traumatic brain injury.

Characterization of cognitive and behavioral complaints is explored in Post-traumatic stress disorder (PTSD) and mild traumatic brain injury (MTBI) samples according to the severity of PTSD, depression and general anxiety conditions. Self-reported questionnaires on cognitive and behavioral changes are administered to PTSD, MTBI, MTBI/PTSD and control groups. Confounding variables are controlled. All groups report more complaints since the traumatic event. PTSD and MTBI/PTSD groups report more anxiety symptoms, depression and complaints compared to the MTBI group. Relatives of the PTSD group confirm most of the behavioral changes reported. Results suggest the utility of self-reported questionnaires to personalize cognitive and behavioral interventions in PTSD and MTBI to cope with the impacts of the traumatic event.

Objective neuropsychological deficits in post-traumatic stress disorder and mild traumatic brain injury: what remains beyond symptom similarity?

This exploratory study intends to characterize the neuropsychological profile in persons with post-traumatic stress disorder (PTSD) and mild traumatic brain injury (mTBI) using objective measures of cognitive performance. A neuropsychological battery of tests for attention, memory and executive functions was administered to four groups: PTSD (n = 25), mTBI (n = 19), subjects with two formal diagnoses: Post-traumatic Stress Disorder and Mild Traumatic Brain Injury (mTBI/PTSD) (n = 6) and controls (n = 25). Confounding variables, such as medical, developmental or neurological antecedents, were controlled and measures of co-morbid conditions, such as depression and anxiety, were considered. The PTSD and mTBI/PTSD groups reported more anxiety and depressive symptoms. They also presented more cognitive deficits than the mTBI group. Since the two PTSD groups differ in severity of PTSD symptoms but not in severity of depression and anxiety symptoms, the PTSD condition could not be considered as the unique factor affecting the results. The findings underline the importance of controlling for confounding medical and psychological co-morbidities in the evaluation and treatment of PTSD populations, especially when a concomitant mTBI is also suspected.