Programmes de renforcement musculaire : mode isotonique versus isocinétique?

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1 JOURNÉE DE MÉDECINE ORTHOPÉDIQUE ET DE RÉÉDUCATION Amphi X : 0 h 00 Programmes de renforcement musculaire : mode isotonique versus isocinétique? A. REMAUD 1, A. GUEVEL, C. CORNU Introduction Les modes isotonique et isocinétique sont deux modalités de contraction dynamiques utilisées dans le cadre de programmes de renforcement musculaire et de rééducation fonctionnelle. En mode isotonique, le mouvement se caractérise par un couple de force constant au cours duquel la vitesse angulaire est variable. Un mouvement réalisé en condition isocinétique s effectue à une vitesse angulaire constante et le couple de force développé par le sujet est alors variable. En outre, il est généralement considéré qu au cours d un mouvement isotonique d extension de la jambe, le système neuromusculaire (SNM) est sollicité de façon maximale aux angles articulaires les plus faibles mécaniquement, alors qu il est sollicité de manière sous-maximale sur le reste du débattement angulaire. Un mouvement isocinétique d extension de la jambe impliquerait quant à lui une sollicitation maximale du SNM sur l ensemble de l amplitude de mouvement. Bien que de nombreuses études se soient intéressées aux effets d un entraînement isotonique ou isocinétique sur le SNM, rares sont celles qui ont tenté de comparer les effets de ces deux modalités d entraînement sur ce système (Kovaleski et al., 1995 ; Smith et Melton, 1981). De plus, ces dernières études ont conduit à des résultats contradictoires. Par exemple, Smith et Melton (1981) rapportent une plus grande efficacité du mode d entraînement isocinétique sur le mode d entraînement isotonique pour augmenter le couple de force maximal et améliorer les qualités de force explosive. Au contraire, Kovaleski et al. (1995) indiquent qu un entraînement isotonique induit des gains de couple de force maximal et de masse musculaire supérieurs à un entraînement isocinétique. La diversité des protocoles et des ergomètres utilisés et surtout l absence de standardisation de la quantité de travail et de la vitesse de mouvement sont potentiellement à l origine de ces désaccords. Par ailleurs, à notre connaissance, aucune étude ne s est attachée à analyser et à comparer les adaptations nerveuses induites par ces deux modalités d entraînement. Pourtant, ce type d adaptation pourrait expliquer en partie les gains de couple de force observés, notamment au cours des premières semaines de ces programmes de renforcement musculaire (Moritani et devries, 1979). En effet, lors d un entraînement en force, une augmentation du niveau d activité des muscles agonistes est généralement observée (Häkkinen et al., 1998). Une diminution du niveau de co-activité des muscles antagonistes pourrait par ailleurs rendre compte en partie des gains de couple de force obtenus après entraînement (Häkkinen et al., 1998), bien que d autres études ne rapportent aucune modification de ce niveau de coactivité (Morse et al., 2005). Ainsi, l objectif principal de notre étude était de comparer les effets de deux programmes standardisés de renforcement musculaire en mode isotonique vs. isocinétique sur les capacités de production de force des muscles extenseurs de la jambe. Pour cela, nous avons utilisé une méthodologie précédemment développée au sein de notre laboratoire et basée sur l égalisation de la quantité totale de travail réalisée et de la vitesse angulaire moyenne de mouvement (Remaud et al., 2005). Compte tenu des caractéristiques biomécaniques de chacune de ces deux modalités de contraction et du principe de spécificité du mode d entraînement, des gains spécifiques de vitesse angulaire maximale (mesurée en condition isotonique) et de couple de force maximal (mesuré en conditions isocinétique et isométrique) étaient attendus après ces deux programmes de renforcement musculaire. Notre étude visait également à analyser, au moyen de l électromyographie de surface (EMGs), l évolution des niveaux d activité des muscles agonistes et de co-activité des muscles antagonistes après entraînement, celles-ci témoignant d adaptations nerveuses potentielles. L ensemble de ces résultats devait ainsi permettre de 1. Laboratoire «Motricité, Interactions, Performance» - JE 2438,UFR STAPS, Université de Nantes, Nantes Atlantique Universités, 25 bis, boulevard Guy Mollet, BP 72206, Nantes Cedex 3, France. anthony.remaud@univ-nantes.fr

2 2 JOURNÉE DE MÉDECINE ORTHOPÉDIQUE ET DE RÉÉDUCATION caractériser les effets spécifiques sur le SNM, de chacune de ces deux modalités de renforcement musculaire, particulièrement utilisées en rééducation fonctionnelle et dans le domaine de l entraînement, en termes d augmentation des capacités de production de force et d adaptations nerveuses. Matériel et méthodes Population Trente étudiants en Sciences du Sport ont participé à cette étude. Après une séance de familiarisation, les sujets ont été répartis aléatoirement en 3 groupes : un groupe IT (n = 11) s entraînant en mode isotonique, un groupe IK (n = 11) s entraînant en mode isocinétique et un groupe C (n = 8) ne s entraînant pas. Protocole expérimental Après une séance de familiarisation, les sujets ont réalisé une série de tests avant (tests PRÉ) et après (tests POST) le programme d entraînement. Celui-ci durait 8 semaines et était constitué de 24 séances d entraînement. Séances d entraînement Les séances d entraînement isotoniques comprenaient 5 séries de 8 répétitions à 40 % du couple de force maximal isométrique. Celui-ci était mesuré à un angle articulaire du genou proche de 70 (0 = position horizontale) lors de la séance de familiarisation, c est à dire l angle auquel le couple de force développé est maximal. Après 4 semaines d entraînement, le niveau de couple de force a été augmenté afin de respecter le principe de «surcharge progressive» (Kraemer et al., 2002). Les séances d entraînement isocinétiques comprenaient 5 séries de 8 à 10 répétitions réalisées à une vitesse angulaire comprise entre 150.s -1 et 180.s -1. Ceci permettait d égaliser la quantité totale de travail externe réalisée et la vitesse angulaire moyenne de mouvement par rapport aux séances d entraînement isotoniques (Remaud et al., 2005). La période de repos entre les séries était de 1 min. Chaque séance d entraînement durait en moyenne 20 min. isocinétique : 3 extensions maximales de la jambe réalisées à 60, 120, 180 et 240.s -1 (ordre des vitesses randomisé) ; isométrique : 3 extensions maximales de la jambe réalisés à 30, 50, 70 et 90 (ordre des angles articulaires randomisé ; 0 = jambe en position horizontale). Chaque série de 3 extensions était suivie d une période de repos de 2 min. Le meilleur des trois essais était retenu pour un traitement ultérieur. Les signaux électromyographiques de surface (EMGs) des muscles vastus lateralis (VL), vastus medialis (VM), rectus femoris (RF), semitendinosus (ST) et biceps femoris (BF) ont été recueillis lors de ces tests. Traitement des données La quantité de travail externe totale réalisée ainsi que la vitesse angulaire moyenne de mouvement des sujets des groupes IT et IK ont été mesurées afin de contrôler la standardisation de ces deux paramètres. Pour le test 1 RM, le niveau de couple de force maximal atteint a été enregistré. Lors du test IT, la vitesse angulaire maximale de mouvement a été mesurée. Pour les tests isocinétiques et isométriques, le couple de force maximal développé a été déterminé respectivement pour chacune des vitesses et chacun des angles. Les données EMGs recueillies ont permis de caractériser les niveaux d activité et de co-activité des agonistes (extenseurs) et antagonistes (fléchisseurs). En condition dynamique (tests IT et isocinétiques), une valeur «root mean square» (RMS) du signal EMGs a été calculée entre 85 et 45, pour chacun des muscles. En condition statique (tests isométriques), le calcul de cette valeur RMS a été réalisé, pour chaque muscle, sur une fenêtre de 200 ms autour du pic de couple de force. Des valeurs RMS moyennes ont ensuite été calculées pour les groupes musculaires agoniste (moyenne de VL, VM et RF) et antagoniste (moyenne de ST et BF). Analyse statistique Des ANOVAs à mesures répétées ont permis d analyser et de comparer l évolution des paramètres mécaniques et EMGs de chacun des trois groupes de sujets avant et après la période d entraînement. Le seuil de significativité était fixé à p < Procédure de tests Les séances de tests, effectuées avant et après entraînement, visaient à évaluer les capacités de production de force des sujets selon trois modalités de contraction : isotonique : évaluation du niveau de couple de force maximal pour lequel le sujet parvenait à mobiliser le segment une seule fois (1 RM), et 3 extensions maximales de la jambe réalisées à la charge d entraînement (IT) pour les groupes IT et IK ; Résultats Standardisation Les résultats obtenus n indiquent aucune différence significative (p > 0.05) en termes de quantité totale de travail réalisée et de vitesse angulaire moyenne de mouvement entre les programmes d entraînement des groupes IT (157.2 ± 19.3 KJ ; 167 ± 12.7.s -1 ) et IK (159.1 ± 21.7 KJ ; s -1 ).

3 JOURNÉE DE MÉDECINE ORTHOPÉDIQUE ET DE RÉÉDUCATION 3 Test 1 RM Après entraînement, une élévation significative (p < 0.001) du niveau de couple de force développé est observée pour les groupes IT ( %) et IK ( %). Cependant, le gain de couple de force observé pour le groupe IT n est pas significativement différent de celui observé pour le groupe IK (p > 0.05). Test IT La vitesse angulaire maximale de mouvement a augmenté significativement de 8.8 % pour le groupe IT et de 4.9 % pour le groupe IK après entraînement (p < 0.05). Néanmoins, le gain de vitesse angulaire maximale de mouvement mesuré pour le groupe IT n est pas significativement différent de celui observé pour le groupe IK (p > 0.05). Par ailleurs, lors de ce test, l analyse statistique ne révèle aucune évolution significative du niveau d activité des muscles agonistes et du niveau de co-activité des muscles antagonistes pour les groupes IT et IK (p > 0.05). Tests isocinétiques Le couple de force maximal a augmenté, respectivement pour les groupes IT et IK, de 12.6 % et 13.9 % à 60.s -1, 11.7 % et 12.8 % à 120.s -1, 14.8 % et 12.3 % à 180.s -1 et 13.6 % et 6.7 % à 240.s -1 après entraînement (fig. 1). Pour chacune des vitesses, aucune différence de gain n est observée entre les groupes IT et IK (p > 0.05). De façon similaire, le niveau d activité des agonistes a augmenté, en moyenne, de 28.8 % pour le groupe IT et de 21.9 % pour le groupe IK (p < 0.01) sur l ensemble des tests. Plus précisément, nos résultats montrent que lors du test isocinétique à 180.s -1 (i.e., la vitesse la plus proche de la vitesse moyenne d entraînement), le niveau d activité du VL augmente de 25.8 % (p < 0.01) tandis que les niveaux d activités du VM et du RF n évoluent pas significativement (p > 0.05). Aucune diminution significative du niveau de co-activité des antagonistes n est observée pour les groupes IT et IK, après entraînement (p > 0.05). Tests isométriques Après entraînement, le couple de force maximal a augmenté, en moyenne, de 7.6 % pour le groupe IT (p < 0.01) et de 13.3 % pour le groupe IK (p < 0.001), sans aucune différence de gain entre les groupes IT et IK (p > 0.05 ; fig. 2). Dans le même temps, une élévation moyenne de 33.5 % et de 31.7 % du niveau d ac- Fig. 1. Évolution du couple de force maximal mesuré en condition isocinétique à 60, 120, 180 et 240.s -1 pour les groupes entraînés en modes isotonique (IT ; A) et isocinétique (IK ; B) avant (PRÉ) et après (POST) entraînement. Les niveaux de significativité présentés concernent l interaction test vitesse (i.e., l ensemble des groupes IT et IK). *** : p < ; * : p < Fig. 2. Evolution du couple de force maximal mesuré en condition isométrique à 90, 70, 50 et 30 (0 = position horizontale) pour les groupes entraînés en modes isotonique (IT ; A) et isocinétique (IK ; B) avant (PRÉ) et après (POST) entraînement. Les niveaux de significativité présentés concernent l interaction test angle (i.e., l ensemble des groupes IT et IK). *** : p<0.001 ;** : p<0.01 ; n.s. : non-significatif.

4 4 JOURNÉE DE MÉDECINE ORTHOPÉDIQUE ET DE RÉÉDUCATION tivité des agonistes a été observée, respectivement pour les groupes IT et IK (p < 0.01). L analyse statistique ne révèle aucune diminution significative du niveau de co-activité des antagonistes pour les groupes IT et IK, après entraînement (p > 0.05). Discussion Les résultats de cette étude indiquent que lorsque la quantité totale de travail externe réalisée et la vitesse angulaire moyenne de mouvement sont standardisées, aucune différence significative n est observée entre les programmes de renforcement musculaire isotonique et isocinétique, tant en termes d amélioration des capacités de production de force (mesurées en conditions statique et dynamique) que des adaptations nerveuses étudiées. Les augmentations de couple de force maximal obtenues dans cette étude sont globalement comprises entre 10 % et 20 % selon la modalité de test considérée (isotonique, isocinétique ou isométrique). La comparaison entre les gains de force observés dans cette étude et ceux précédemment obtenus dans la littérature reste difficile à réaliser tant ces travaux diffèrent par les caractéristiques de leur entraînement (e.g., durée des programmes, intensité de l entraînement, etc.) et leurs protocoles de tests (e.g., modalité(s) de contraction choisie(s), type d ergomètre utilisé, etc.). Nous avions posé l hypothèse que, compte tenu du principe de spécificité de la modalité d entraînement, des gains de vitesse angulaire maximale pourraient intervenir préférentiellement pour le groupe IT comparé au groupe IK. Néanmoins, bien que nos résultats semblent indiquer une augmentation plus marquée de la vitesse angulaire maximale de mouvement pour le groupe IT (+ 8.8 %) comparé au groupe IK (+ 4.9 %), aucune différence statistique n est observée entre les deux groupes. Par ailleurs, nous nous attendions à ce que ce principe de spécificité du mode d entraînement s applique également aux gains de couple de force maximal mesurés en condition isocinétique, à savoir une supériorité des gains pour le groupe IK comparé au groupe IT. Cependant, nos résultats montrent que, pour chacune des vitesses testées, les gains de couple de force maximal obtenus pour le groupe IK ne sont pas significativement différents de ceux obtenus pour le groupe IT. Ce principe de spécificité de la modalité d entraînement n est donc pas vérifié dans cette étude. Aussi, compte tenu des caractéristiques biomécaniques des modalités isotonique et isocinétique, nous avions suggéré qu un programme de renforcement musculaire isotonique induirait préférentiellement des gains de couple de force maximal isométrique au début et à la fin de l amplitude de mouvement, tandis qu un programme de renforcement musculaire isocinétique impliquerait plutôt des gains sur l ensemble de l amplitude de mouvement. Bien que nos résultats semblent indiquer une tendance à des gains de couple de force maximal isométrique plus importants à 90 ( %) et 30 (+ 9.3 %) comparés à 70 (+ 5.2 %) et 50 (+ 5.3 %) pour le groupe IT, l analyse statistique de ces augmentations de couple de force maximal ne confirment pas cette hypothèse. En effet, celles-ci ne sont pas significativement différentes entre les groupes IT et IK et s élèvent en moyenne à 15.3 % à 90, 8.2 % à 70 et 8 % à 50 (gains non-significatifs à 30 ). En outre, nos résultats sont en désaccord avec ceux précédemment obtenus dans la littérature (Kovaleski et al., 1995; Smith et Melton, 1981), qui avaient montré une supériorité d un programme d entraînement (IT vs. IK) pour améliorer les capacités de production de force. Cependant, dans ces précédentes études, les auteurs n avaient standardisé ni la quantité totale de travail réalisée ni la vitesse angulaire de mouvement, ce qui peut expliquer partiellement les divergences de résultats. Nos résultats montrent également que, suite à un programme d entraînement en force, le niveau d activité des muscles agonistes augmente significativement, et ce indépendamment du mode d entraînement considérée. Cette absence de spécificité du mode d entraînement sur la modification du niveau d activité EMGs des muscles agonistes corroborent l absence de spécificité obtenue concernant l augmentation de capacité de production de force pour les groupes IT et IK. Par ailleurs, ces résultats sont en accord avec ceux présentés dans la littérature qui indiquent qu après une période d entraînement en force, l amélioration des capacités de production de force est généralement associée à une élévation du niveau d activité des agonistes (Häkkinen et al., 1998). Une augmentation du nombre d unités motrices recrutées, une élévation de la fréquence de décharge des unités motrices sollicitées et/ou une meilleure synchronisation des décharges de ces unités motrices sont les trois hypothèses généralement évoquées pour expliquer cette élévation du niveau d activité EMGs. En outre, nos résultats indiquent que lors du test isocinétique à 180.s -1 (i.e., à la vitesse la plus proche de la vitesse d entraînement), l activité du VL augmente significativement (+ 26 %) tandis que les niveaux d activité du VM et du RF restent statistiquement inchangés (tendance à une augmentation de 16.1 % pour le VM, p = 0.09). Par conséquent, dans ces conditions, les adaptations nerveuses des muscles agonistes observées après entraînement pourraient être prioritairement localisées au niveau du VL. Notre étude n indique par ailleurs aucune modification significative du niveau de co-activité des antagonistes après les programmes d entraînement isotonique et isocinétique, ce qui confirme les résultats déjà obtenus par certains auteurs (e.g., Morse et al., 2005), mais reste en désaccord avec ceux de Häkkinen et al. (1998) qui avaient néanmoins travaillé chez des personnes âgées. La différence d âge entre les sujets de notre étude (20 ans en moyenne) et ceux d Häkkinen et al. (1998) pourrait être à l origine de ce résultat puisque ces derniers ont suggéré que la diminution du niveau de co-activité des muscles antagonistes après entraînement s observait principalement chez des sujets âgés (environ 70 ans). On peut par ailleurs penser que des adaptations structurales sont également à

5 JOURNÉE DE MÉDECINE ORTHOPÉDIQUE ET DE RÉÉDUCATION 5 l origine de l augmentation des capacités de production de force observée après entraînement, et il n est pas exclu que des adaptations structurales spécifiques aient pu intervenir au niveau des muscles extenseurs de la jambe, suite à chacun de ces deux programmes d entraînement. En conséquence, compte-tenu des résultats obtenus dans cette étude, un programme de renforcement musculaire des extenseurs de la jambe réalisé en mode isotonique n induit pas une augmentation des capacités de production de force supérieure à celle obtenue après un programme de renforcement musculaire en mode isocinétique. Par ailleurs, ces deux types d entraînement engendrent, de manière indifférenciée, une augmentation du niveau d activité des muscles agonistes sans modification du niveau de co-activité des muscles antagonistes, ce qui pourrait expliquer en partie l amélioration des capacités de production de force observée. Néanmoins, des adaptations structurales (non mesurées dans cette étude) peuvent également expliquer ces augmentations de capacité de production de force. Aussi, dans ce contexte, des programmes de renforcement musculaire et de rééducation en mode isotonique ou isocinétique peuvent a priori être proposées indifféremment par les entraîneurs et les praticiens afin d améliorer leurs capacités de production de force de leurs athlètes et leurs patients en conditions statique et dynamique. Néanmoins, l utilisation du mode de contraction isocinétique à vitesse moyenne ( 150.s -1 ) pourrait être préférable en rééducation fonctionnelle puisque cette modalité de contraction semble plus sécurisante, la résistance opposée au mouvement s adaptant aux capacités de production de force des sujets. Häkkinen K., Kallinen M., Izquierdo M., Jokelainen K., Lassila H., Malkia E., et al. Changes in agonist-antagonist EMG, muscle CSA, and force during strength training in middleaged and older people. J. Appl. Physiol., 1998, 84 (4), Kovaleski J.E., Heitman R.H., Trundle T.L., Gilley W.F. Isotonic preload versus isokinetic knee extension resistance training. Med. Sci. Sports Exerc., 1995, 27 (6), Kraemer W.J., Adams K., Cafarelli E., Dudley G.A., Dooly C., Feigenbaum M.S., et al. American College of Sports Medicine position stand. Progression models in resistance training for healthy adults. Med. Sci. Sports Exerc., 2002, 34 (2), RÉFÉRENCES Moritani T., devries H.A. Neural factors versus hypertrophy in the time course of muscle strength gain. Am. J. Phys. Med., 1979, 58 (3), Morse C.I., Thom J.M., Mian O.S., Muirhead A., Birch K.M., Narici M.V. Muscle strength, volume and activation following 12-month resistance training in 70-year-old males. Eur. J. Appl. Physiol., 2005, 95 (2-3), Remaud A., Cornu C., Guevel A. A methodologic approach for the comparison between dynamic contractions: influences on the neuromuscular system. J. Athl. Train, 2005, 40, Smith M.J., Melton P. Isokinetic versus isotonic variable-resistance training. Am. J. Sports Med., 1981, 9 (4),