Sleep and circadian rhythms in the acute phase of moderate to severe traumatic brain injury

Les traumatismes craniocérébraux (TCC) sont la principale cause d’invalidité chez les jeunes adultes, engendrant d’importantes séquelles cognitives, physiologiques et comportementales. Les perturbations du cycle veille-sommeil  sont parmi les symptômes les plus persistants à la suite d’un TCC et pourraient nuire à la récupération. En effet, le sommeil est nécessaire à l’apprentissage, la plasticité cérébrale et la génération de nouveaux neurones dans le cerveau adulte. Les observations cliniques suggèrent que ces perturbations apparaissent dès les premières semaines suivant le TCC et pourraient suggérer une altération de l’horloge circadienne. Cependant, aucune étude n’a encore documenté comment les perturbations du cycle veille-sommeil émergent et évoluent dans la phase aiguë du TCC, ni leur association à la récupération fonctionnelle et cognitive à court-terme. Conséquemment, cette thèse vise à caractériser le sommeil et les rythmes circadiens des patients hospitalisés avec un TCC modéré ou sévère et déterminer si les perturbations du cycle veille-sommeil sont causées par un dérèglement de l’horloge circadienne. Pour ce faire, nous avons utilisé des mesures objectives et quantitatives de sommeil et des rythmes circadiens, incluant l’actigraphie, la polysomnographie (PSG) et la mélatonine, dès la phase d’éveil aux soins intensif. Afin de comprendre le rôle du TCC dans ces perturbations, nous avons comparé les patients TCC à des patients hospitalisés avec blessures orthopédiques graves, sans TCC. Ce protocole a mené à cinq articles de recherche. En premier lieu, nous démontrons que le cycle veille-sommeil des patients TCC est sévèrement perturbé, mais s’améliore chez 50% d’entre eux au cours de leur séjour hospitalier. Les patients avec une amélioration de la consolidation du cycle veille-sommeil ont un meilleur fonctionnement cognitif et fonctionnel au congé de l’hôpital. Ensuite, dans une étude de cas, nous démontrons qu’un patient TCC peut avoir un cycle veille-sommeil complètement différent dans un même environnement, selon son stade de récupération. Notre troisième article confirme que la consolidation du cycle veille-sommeil évolue en synchronie avec la récupération de la conscience et des fonctions cognitives dans la phase aiguë du TCC. Notre quatrième article compare le sommeil des patients TCC à celui des blessés orthopédiques graves, sans TCC, en utilisant un système de PSG ambulatoire au chevet. Nous démontrons que, contrairement à notre hypothèse, le sommeil des patients TCC comprend tous les éléments et stades d’un sommeil normal. Cependant, ces patients s’endorment plus tôt et ont un sommeil de plus longue durée, mais plus fragmenté, que les patients sans TCC. Dans les deux groupes, le sommeil est de mauvaise qualité, reflétant probablement l’effet de facteurs non-spécifiques associés avec les blessures physiques et l’environnement hospitalier. Conséquemment, la PSG en phase aiguë permet difficilement de distinguer les patients TCC des patients sans TCC. Notre dernier article confirme que les patients avec TCC ont une consolidation du cycle veille-sommeil et une qualité de sommeil nocturne inférieures à celles des patients sans TCC, ce qui confirme le rôle du TCC dans les perturbations du cycle veille-sommeil. Cependant, malgré ces perturbations plus sévères, les patients TCC ont un rythme normal de la mélatonine et celui-ci n’est pas associé aux perturbations observées. Cet article suggère que des mécanismes neuronaux autres que l’horloge circadienne seraient responsables des perturbations du cycle veille-sommeil à la suite d’un TCC. Cette thèse est la première à évaluer le sommeil et le fonctionnement de l’horloge circadienne de patients hospitalisés avec un TCC modéré ou sévère ayant atteint la stabilité médicale. En isolant le rôle du TCC de celui du traumatisme physique et du milieu hospitalier, ces études contribuent à comprendre les caractéristiques, les conséquences et la pathophysiologie des perturbations du cycle veille-sommeil à la suite d’un TCC, ouvrant la voie à de possibles interventions visant à améliorer le sommeil et optimiser la récupération. Traumatic brain injuries (TBI) are the leading cause of disability among young adults, causing debilitating cognitive, psychological and behavioural impairments. Sleep-wake disturbances (SWD) are among the most persistent sequelae following TBI, and could impede recovery. Indeed, sleep is essential to learning, plasticity and neurogenesis. Clinical observations suggest that these disturbances arise in the first weeks following injury, and could suggest a circadian disturbance. However, no study has yet documented how SWD arise and evolve in the acute phase of TBI, or how they are associated to short-term cognitive and functional recovery.  Consequently, this thesis aims to characterize the sleep and circadian rhythms of patients hospitalized with moderate or severe TBI, and determine whether SWD are caused by a deregulation of the circadian clock. To achieve this goal, we used objective and quantitative measures of sleep and circadian rhythms including actigraphy, polysomnography (PSG), and melatonin, beginning in the awakening stage in the Intensive Care Unit. In order to understand the specific role of TBI on SWD, we compared TBI patients to other hospitalized trauma patients, without TBI. Our comprehensive study protocol led to five research articles. First, we show that the sleep-wake cycle of TBI patients is severely disturbed, but improves for 50% of patients during their hospital stay. Patients whose sleep-wake cycle consolidation improves have better cognitive and functional outcome at hospital discharge. Then, in a single case study, we demonstrate how a patient can have drastically different sleep-wake patterns in the same environment, according to recovery stage. In our third research article, we show that the consolidation of sleep and wake states evolves synchronously with the recovery of consciousness and cognition in the acute phase of TBI.  Our fourth article compares the sleep of TBI patients to that of non-TBI trauma patients using ambulatory PSG at bedside. Contrary to our hypothesis, TBI patients have normal sleep elements and normal proportions of each sleep stages. However, they have earlier sleep onset and longer nighttime sleep duration, but with greater fragmentation, than non-TBI patients. In both groups, sleep quality is poor, which most likely reflects non-specific factors associated with the physical trauma and hospital environment. Therefore, PSG reveals little information able to distinguish TBI patients from other non-TBI trauma patients at this stage post-injury. Our final article shows that TBI patients have poorer sleep-wake cycle consolidation and nighttime sleep quality than non-TBI patients, confirming the role of the TBI in altering sleep and wake states. However, despite having more severe SWD, TBI patients have a normal melatonin rhythm, and this rhythm is not associated with the observed SWD. This article suggests that neural mechanisms other than the circadian clock may be responsible for post-TBI SWD. This thesis is the first to investigate the sleep and circadian clock of hospitalized moderate to severe TBI patients who are medically stable. By isolating the role of the injured brain from that of overall trauma and the hospital setting, these studies contribute to understanding the characteristics, consequences and pathophysiology of post-TBI SWD, unlocking the possibility to design interventions aiming to improve sleep and optimize recovery.

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