Adaptations CardioVasculaire et Ventilatoire à L Exercice Musculaire Helmi BEN SAAD (MD, PhD) helmibensaad@rnstn Introduction Adaptation? Problème (1/2 intérieur, environnement) Réponses Physiologique Comportementale Génétique HOMÉOSTASIE intacte Introduction Aérobie VO 2 max I Adaptation globale O 2 (Prélèvement, transport et consommation) CO 2 (Prélèvement, transport et rejet) Fonctions Plan II Adaptation cardiovasculaire Comment s adapte t-il lors d exercice? Existe-t-il une limite d adaptation? III Adaptation ventilatoire Adaptation globale Consommation maximale d O 2 : VO 2 max Air ambiant CO 2 O 2 Adaptation globale VO 2 max Adaptation RESPIRATOIRE Adaptation CARDIOVASCULAIRE Adaptation TISSULAIRE Chaîne CRV LIMITE Ventilation Diffusion Alvéolo-capillaire Hémodynamique Parois capillaires: Diffusion Parois cellulaires: Diffusion Captation CO 2 CO 2 O 2 Liq Interstitiel O 2 Modes d expression Valeur absolue: 3 L/min; jeune modérément actif-75 kg Valeur relative: / poids total: 40 ml/min/kg VO 2 max/ Aptitude physique aérobie VO 2 max/ Saturation de la chaîne 1
Plan I Adaptation globale II Adaptation cardiovasculaire Fréquence cardiaque Volume d éjection systolique Débit cardiaque Débit sanguin Pression artérielle III Adaptation ventilatoire Fréquence cardiaque (FC) FC de repos FC d'exercice FC d équilibre FC de repos Moyenne : 60-80 bpm Age moyen + sédentaire: 100 bpm Athlète extrême : 28-40 bpm FC de repos : avant le début de l'exercice Réponse anticipée Noradrénaline: SN sympathique Adrénaline : médullosurrénale : Emotion Acétylcholine: stimulation vagale FC d exercice: Exercice à charge croisante FC maximale FC d exercice Estimation - FC maximale: FCmax = 220 - âge Fox et Haskell 1970 Astrand 1980 80% des possibilités maximales 40 ans: Fcmax = 180 bpm 2
FC d équilibre: Exercice à charge constante Niveau optimal: satisfait exactement aux besoins de l'exercice PLATEAU 1-3 min Volume d éjection systolique VES: Exercice Objectif: travail cardiaque efficace VES: principal déterminant Capacité d'endurance CR VES 4 facteurs VES 1Retour veineux 2Capacité de remplissage ventriculaire 3Contractilité ventriculaire 4Pre sanguine: Aorte + Art pulmonaire Intensité d'exercice: 1Retour veineux 2Capacité de remplissage ventriculaire Volume de remplissage ventriculaire Régulation directe Variations VES VES 3Contractilité ventriculaire 4Pre sanguine: Aorte + Art pulmonaire PLATEAU 40-60% des possibilités maximales Aptitude - Ventricules à se vider Force d éjection du sang Pression - Système artériel 3
VES: effet de la position Debout VES : X 200% Actifs non entraînés 50-60 ml Repos 120 ml Maximum Actifs très entraînés 80-110 ml Repos 160-200 ml Maximum Allongée VES : 20%-40% Pourquoi? VES: effet de la position Position allongée: Pas d accumulation Sang Retour veineux facilité VES de repos: allongée > debout VES: effet de la position VES: mécanismes d augmentation: 2 Exercice - Position allongée: supplémentaire VES: plus limitée Message à retenir: Exercice Intensité faible-modérée Essentiel VES: Lutte contre la force de pesanteur a) Loi de Frank-Starling (VES: fonction du d'étirement - parois ventriculaires) b) contractilité - Fibres ventriculaires VES: mécanismes d augmentation: 2 a) Loi de Frank-Starling «plus la paroi ventriculaire est étirée, plus le ventricule est capable de développer une force importante, lors de la contraction suivante» VES: mécanismes d augmentation: 2 b) contractilité - Fibres ventriculaires VES Lequel de ces 2 mécanismes intervient à l'exercice? 4
Contractilité myocardique Loi de Frank-Starling VTD du VG: Loi de Frank-Starling VTD du VG: meilleure contractilité myocardique VES: mécanismes d augmentation Temps de remplissage ventriculaire: 500-700 ms Repos 150 ms Exercice intense (FC: 150-200 bpm) Loi de Frank-Starling Retour veineux Stimulation Sympathique - Systèmes Artériel (territoires inactifs) Veineux Contraction - Muscles Actifs Compression Veines de voisinage Respiration (Pr Intra thoracique et abdominale) VES: mécanismes d augmentation: 3 ème Résistances périphériques totales à l'écoulement Vasodilatation importante - Territoires musculaires actifs Vidange ventriculaire: facilitée Débit cardiaque: Q C = FC X VES 5
Adaptations générales: FC et VES Adaptations générales: FC et VES Que se passe-t-il au niveau cardiaque? 50 bpm 55 bpm 60 bpm FC: compensation Chute du VES Objectif: Q C constant Adaptations générales: FC et VES 90 bpm 140 bpm 180 bpm Objectif: Apport d'o 2 Muscles actifs Débit sanguin: Q S : expulsion - Grande quantité de sang Système artériel Destination: Muscles actifs Redistribution sanguine Débit sanguin: Q S MEJ - SN sympathique Sang dérive: Territoires inactifs actifs Muscles Repos : 15%-20% Q S total Exercice: 80%-85% Q S total 6
Quels mécanismes président à l'ensemble de ces adaptations? Début - Exercice: besoins {O 2 + nutriments}: Muscles actifs Solution: Q S local - Territoires actifs 2 mécanismes? a) MEJ du SN Sympathique b) Modifications physico-chimiques Viscères: peu actifs Vasoconstriction Redistribution du sang Territoires actifs Q S Muscles actifs Muscles squelettiques: Vasoconstrictrices: inhibées Vasodilatatrices : stimulées SNS Modifications physico-chimiques Exercice: Métabolisme Muscle Acidose locale Production de CO 2 Température PaO 2 Substances vasodilatatrices Effet: vasodilatation Artérioles Pression artérielle (PA) Q S 7
Pression artérielle systolique Explication - PAS Q C Objectif: Débit suffisamment rapide dans tout le système vasculaire Pression artérielle diastolique Pre résiduelle - Système vasculaire Cœur en repos Exercice: PAD > 15 mmhg Pathologique Epreuve d'exercice musculaire Pression artérielle Niveau d'équilibre MARCHE Exercice prolongé: Systolique: Diastolique: inchangée Explication: Vasodilatation - Artérioles musculaires PA = Q C X Résistances Périphériques Totales Pression artérielle PAS: 480 mmhg PAD: 350 mmhg Manœuvre de Valsalva Exercice de force Pression intrathoracique PA dans le reste du corps Equation de Fick 1852-1937 VO 2 = Q C x diff(a-v)o 2 = FC x VES x diff(a- v)o 2 Plan I Adaptation globale II Adaptation cardiovasculaire III Adaptation ventilatoire 8
Repos: 5-8 L/min, V T = 0,5 L, Fr=12 Cpm Régime ventilatoire Jeune peu entraîné Exercice: x 4-6 x 4 VE Exercice x 16 80-100 L/min Normal 100-120 L/min Modérément entraîné 150-200 L/min Athlètes-Haut niveau Régime ventilatoire V T surtout/début Exercice Atteint 50-60% CV (capacité vitale) Seuils ventilatoires et lactiques VE Charge croissante Fr surtout/fin Exercice < 40-4545 cycles/min charge Seuils Ventilatoires Adaptation Ventilatoire Inadaptation Ventilatoire SV 1 SV 2 VCO2 5,00 4,00 3,00 2,00 Concomittant 1 er er seuil ventilatoire 1 er 1,00 0,00 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 VO 2 1 er seuil lactique er Seuil Seuil ammonium (NH 4 ) Seuil catécholamine VE 1 er er seuil ventilatoire Relation Lactate - Ventilation Lactate: Facteur dominant Monocarboxylase transporter Symport: lactate/proton (H + ) 9
1 er er seuil ventilatoire [La] H + + HCO - 3 H 2 CO 3 + [La] CO 2 + H 2 O + [La] AC AC AC: anhydrase carbonique 2 ème Concomittant ème seuil ventilatoire 2 ème seuil lactique AC AC [La] H + + HCO - 3 CO 3 H 2 + [La] CO 2 + H 2 O + [La] Acidose Métabolique Centres Respiratoires Seuil de décompensation de l acidose métabolique Seuils ventilatoires Seuils lactiques Seuils lactiques Lactatémie (mm/l) 14 10 6 2 SL1 7-12 mmoles/l: Non entraîné 20 mmoles/l: Sportifs de haut N SL2 0 50 100 150 200 250 300 350 Puissance (watts) Seuils lactiques : SL 1 (2 mmol/l) SL 2 (4 mmol/l) Intérêts des seuils ventilatoires et lactiques SL 1 et SV 1 : Index de capacité d'endurance musculaire Réserve Ventilatoire (RV) Exercice : VE max : 80-100 L/min Repos : HyperV volontaire : VE maxmin 110-130 L/min SV 1 : Sujet modrémént actif : 50% VO 2 max théorique Ventmaxmin Ventmaxeffort RV Marathonien : 70% VO 2 max théorique Ventmaxmin RV = x 100 SL 2 et SV 2 : Intensité d'entraînement chez le sportif Ventmaxmin = VEMS x 35 Valeur normale: 30 ± 10 % La ventilation n'est pas le facteur limitant à l'exercice 10
Adaptation de l échangeur pulmonaire Echanges (O 2 + CO 2 ) Alvéoles - Sang capillaire Capacité diffusion (D) Lung (L) pression (passive) VO 2 = DLO 2 x diff(a-a)o 2 VCO 2 = DLCO 2 x diff(a-a)co 2 Adaptation de l échangeur pulmonaire Qualité du gaz alvéolaire VA = (VT-VD) x FR VA/Q Qualité du sang capillaire Intensité du Métabolisme Adaptation de l échangeur pulmonaire REPOS diff(a-a)o 2 = 10 mmhg Shunts anatomiques : 4 mmhg Inégalités VA/Q : 6 mmhg Adaptation de l échangeur pulmonaire Sujet peu actif Athlète haut niveau diff(a-a)o 2 PaO 2 : N ou discrètement diff(a (A-a) a)o 2: x 2 Adaptation de l échangeur pulmonaire diff(a-a)o 2 Est-ce que l diff(a-a)o 2 peut-être un facteur limitant de l exercice? Adaptation de l échangeur pulmonaire P a O2 mmhg 120 110 100 90 80 diff(a-a)o 2 diff (A-a) O 2 A a 70 Sujet normal Ex max N al Ex max Ath ext 11
Capacité de diffusion Repos Sang veineux Sang capillaire Temps d équilibre : 0,25 s Exercice intense: Temps de transit Temps d équilibre Athlète extrême Hypoxémie induite par l exercice Ouf, ouf, ouf 12