The use of functional magnetic resonance imaging in the assessment of pediatric patients post concussion

Concussion, also known as mild traumatic brain injury, is an entity that is being increasingly recognized as an important public health problem with incidence rates reaching epidemic proportions. It is widely recognized that important long-lasting sequelae can be seen in patients who suffer concussions and adequate diagnosis and follow-up are essential in treating them. This issue is even more important in the pediatric population who, after having suffered a concussion at a young age, have a high chance of suffering other concussions later on. Furthermore, the effect of concussion on the developing brain may have more important implications than what is known so far. Unfortunately, standard structural imaging in these patients it typically normal and no objective clinical tests are currently available for medical professionals to aid with the assessment of patients post-concussion. Clinicians must rely on subjective symptom reporting, which is often fraught with inconsistencies. A number of studies in the literature have demonstrated the utility of functional MRI (fMRI) as an assessment tool in concussion but very few studies have examined its application to children. Consequently, the current thesis describes three fMRI studies examining the use of specific fMRI paradigms in children. Study 1 was carried out in normal children and adults and demonstrated that the fMRI tasks that were developed in adults could be validly used in children. Study 2 used a working memory task that was previously proven to be useful in adults and demonstrated similar attenuation of fMRI signals in concussed children. However, unlike the concussed adults, the children had a diminished ability to recruit other brain regions and performed significantly worse than controls on the working memory task, a finding not seen in adults. Study 3 examined the use of a novel navigational memory task that was more complex, employing a number of cognitive functions. In this study as well, an attenuation of fMRI signal was seen in the concussed subjects, with additional peaks in the hippocampus, suggesting that these subjects remained in a "learning phase" of the task.Taken together, these studies demonstrate that, not only can these tasks be applied in children, they also show tremendous potential as an assessment tool in the context of pediatric concussion.La commotion cérébrale, également connue sous le nom de traumatisme crânien léger, est une entité qui est de plus en plus reconnue comme un problème de santé public important avec des taux d'incidence qui atteignent des proportions épidémiques. Il est généralement reconnu que des séquelles importantes de longue durée peuvent être observées chez les patients qui souffrent de commotions cérébrales. Un diagnostic et un suivi adéquat deviennent donc essentiels pour le traitement. Ce problème est encore plus important parmi la population pédiatrique qui, après avoir subi une commotion cérébrale à un jeune âge, ont de fortes chances de souffrir de commotions cérébrales subséquentes. De plus, une commotion cérébrale sur un cerveau durant son développement pourrait avoir des conséquences plus importantes que ce qui est connu jusqu'à présent. Malheureusement, l'imagerie structurelle standard pour ces patients est typiquement normale et il n'y a pas actuellement de tests cliniques objectifs disponibles aux professionnels de la santé pour aider à l'évaluation des patients suite à une commotion cérébrale. Les cliniciens doivent donc compter sur les rapports subjectifs des symptômes, qui sont souvent incohérents. Un certain nombre d'études dans la littérature a démontré l'utilité de l'IRM fonctionnelle (IRMf) comme un outil d'évaluation pour les commotions cérébrales, mais très peu d'études ont examiné son application aux enfants. Par conséquent, la thèse actuelle relate trois études utilisant l'IRMf et examinant l'utilisation des paradigmes d'IRMf spécifiquement conçus pour les enfants. La première étude a été réalisée chez des enfants et des adultes normaux et a démontré que les tâches d'IRMf qui ont été développées chez les adultes pouvaient être utilisées de façon valide chez les enfants. Dans la deuxième étude, une tâche de mémoire de travail dont l'utilité a déjà été établie chez les adultes a été utilisée et cette étude a démontré une atténuation similaire des signaux d'IRMf chez les enfants commotionnés. Cependant, contrairement aux adultes commotionnés, les enfants montraient une diminution de la capacité de recruter d'autres régions du cerveau et leurs performances à la tâche de mémoire de travail étaient significativement amoindries comparées aux contrôles, une constatation qui n'a pas été observée chez les adultes. La troisième étude a examiné l'utilisation d'une nouvelle tâche de mémoire de navigation qui est plus complexe et faisant appel à plusieurs fonctions cognitives. Dans cette étude, une atténuation des signaux de l'IRMf a été observée chez les participants commotionnés, avec des activations supplémentaires dans l'hippocampe, ce qui suggère que ces sujets sont restés dans la "phase d'apprentissage" de la tâche. Dans l'ensemble, ces études démontrent que ces tâches peuvent être appliquées chez les enfants. De plus, elles montrent aussi un énorme potentiel comme outil d'évaluation dans le contexte des commotions cérébrales pédiatriques

Exploring oculomotor functions in a pilot study with healthy controls: Insights from eye-tracking and fMRI.

Eye-tracking techniques have gained widespread application in various fields including research on the visual system, neurosciences, psychology, and human-computer interaction, with emerging clinical implications. In this preliminary phase of our study, we introduce a pilot test of innovative virtual reality technology designed for tracking head and eye movements among healthy individuals. This tool was developed to assess the presence of mild traumatic brain injury (mTBI), given the frequent association of oculomotor function deficits with such injuries. Alongside eye-tracking, we also integrated fMRI due to the complementary nature of these techniques, offering insights into both neural activation patterns and behavioural responses, thereby providing a comprehensive understanding of oculomotor function. We used fMRI with tasks evaluating oculomotor functions: Smooth Pursuit (SP), Saccades, Anti-Saccades, and Optokinetic Nystagmus (OKN). Prior to the scanning, the testing with a system of VR goggles with integrated eye and head tracking was used where subjects performed the same tasks as those used in fMRI. 31 healthy adult controls (HCs) were tested with the purpose of identifying brain regions associated with these tasks and collecting preliminary norms for later comparison with concussed subjects. HCs' fMRI results showed following peak activation regions: SP-cuneus, superior parietal lobule, paracentral lobule, inferior parietal lobule (IPL), cerebellartonsil (CT); Saccades-middle frontal gyrus (MFG), postcentral gyrus, medial frontal gyrus; Anti-saccades-precuneus, IPL, MFG; OKN-middle temporal gyrus, ACC, postcentral gyrus, MFG, CT. These results demonstrated brain regions associated with the performance on oculomotor tasks in healthy controls and most of the highlighted areas are corresponding with those affected in concussion. This suggests that the involvement of brain areas susceptible to mTBI in implementing oculomotor evaluation, taken together with commonly reported oculomotor difficulties post-concussion, may lead to finding objective biomarkers using eye-tracking tasks