Exploration de l efficience motrice Master 1ère année P. Mucci
I Aspects généraux de la fonction respiratoire
La fonction respiratoire Apport d O2 et élimination de CO2 Métabolisme de l organisme Respiration: - trajet de l air dans les voies aériennes - mouvements et mécanique respiratoire - régulation - diffusion alvéolo-artérielle - transport des gaz dans le sang - échanges tissulaires Modification avec l exercice et l entraînement (+pathologies et vieillissement non-traités) Coût énergétique de la respiration et limites éventuelles de la performance
Les mouvements respiratoires Mouvements respiratoires = variation de Pressions dans les poumon => entrée et sortie d air du tractus respiratoire Mouvements respiratoires grâce à: - l action des muscles respiratoires - propriétés élastiques du système respiratoire (poumon, plèvre, cage thoracique)
Le tractus respiratoire Voies aériennes supérieures (conduction, filtrer, réchauffer et saturer en eau) Voies aériennes inférieures (idem + échanges)
Tractus respiratoire : VA inférieures Zone de conduction Zone de transition (conduire + échanges partiels) Zone respiratoire (totalement alvéolisée) Surface alvéolaire (~sphères) ~ 80-100m2 Volume d air ne participant pas aux échanges = volume mort VD (~150ml)
Structure de la Zone respiratoire (a) (b) Vue schématique de l unité fonctionnelle des poumons (bronchiole respiratoire, conduits alvéolaires, saccules alvéolaires et alvéoles). Photomicrographie d une coupe de poumon humain montrant les structures respiratoires qui forment l aboutissement de l arbre bronchique. A noter la minceur de la paroi alvéolaire ~ 0,3µm
Muscles respiratoires Mouvement d entrée et de sortie mise en jeux des muscles respiratoires Ventilation modérée : - Inspiration: Diaphragme+++ et muscles intercostaux externes - Expiration: relâchement musculaire + force de rétraction élastique pulmonaire donc passive Ventilation + intense ~ >50L.min-1 : recrutement des muscles respiratoires accessoires - Inspiration: scalènes, Sterno-cléïdo-mastoïdien - Expiration: intercostaux internes et abdominaux +dorsaux, lombaires
Action des Muscles Respiratoires
Les volumes pulmonaires Mouvement d air être définis par des volumes pulmonaires Volumes d air mobilisables CPT: capacité pulmonaire totale (~6-7l) CV: capacité vitale (~4500 ml) VT: volume courant (~400-500 ml) VRI et VRE: volumes de réseerves Inspiratoires et Expiratoires (~2500 et 1500 ml) Volumes d air non-mobilisables VR: volume résiduel (~ 1500ml) CRF : Capacité résiduelle fonctionnelle = volume d air dans les poumons à la fin de l expiration lors d une ventilation normale de repos! VR est le volume d air dans les VA à la fin de l expiration maximale VD qui est le volume d air dans les zones de conductions (ne participant pas aux échanges gazeux)
Les centres respiratoires Les centres du tronc Cérébral Centres respiratoires Bulbaires : zone inspiratoire responsable du rythme de base de VE (potentiels d actions spontanés) + aire expiratoire n intervenant que lors d une expiration active Centre Apneustique : excitateur des c. bulbaires mais rôle mal connu Centre Pneumotaxique : inhibe l inspiration ( centre bulbaire) et contrôle le volume inspiratoire ( ) et secondairement la fréquence respiratoire ( ) La respiration est aussi très largement sous contrôle volontaire Le Cortex cervical peut surpasser (dans une certaine mesure) le Tronc Cérébral dans sa fonction de régulation
Les Chémorécepteurs Centraux Mis en jeu lors d une PaCO2 (1,5 mmhg) Ils sont sensibles directement au CO2 et consécutive de [H+](dans LEC et LCR++) Ils ne répondent pas à l hypoxie Les chémorécepteurs centraux baignent dans le liquide extracellulaire (LEC) dans lequel le CO2 diffuse facilement à partir des vaisseaux vers le liquide céphalo-rachidien (LCR). Le CO2 diminue le ph du LCR stimulant ainsi les chémorécepteurs. Zones centrales chémosensibles sont situées au niveau du bulbe rachidien Les ions H+ et HCO3- ne traversent pas facilement la barrière sang-cerveau.
Chémorécepteurs Périphériques Crosse aortique et bifurcation carotidienne Corpuscules carotidiens et aortiques : très sensibles à une PO2 (dès 500 mmhg mais +++ pour<100 mmhg) Peu sensibles à une PCO2 car seulement responsable de 20% de la réponse ventilatoire à ce stimulus Corpuscules carotidiens répondent à une du ph artériel et potentialise la réponse à l hypoxie Innervation : Corp. Carotidiens nerf Glosso-pharyngien (nerf de Hering) Corp. Aortiques nerf de Cyon puis nerf Vague
Autres récepteurs de la régulation ventilatoire Récepteurs pulmonaires à l étirement: dans m Lisses de voies aériennes distension pulmonaire fr (réflexe de Hering-Breuer) - Récepteurs pulmonaires à l irritation: dans épithélium des VA fumée, poussière,, froid bronchoconstriction et hyperpnée -Récepteurs articulaires et musculaires: Stimulent en partie la ventilation d exercice surtout au début -Fuseaux neuromusculaires (système gamma) Dans muscles (intercostaux et diaphragme ) élongation module la force de contraction - Autres: Récepteurs J, R du nez, VA >, BaroR artériels, douleur, fièvre
Échanges alvéolo-capillaires Mécanisme passif, nécessite un temps de contact suffisant (0,25s alors qu au repos il est de 0,75s)
Transport de l Oxygène Une fois dans les capillaires pulmonaires l O2 va être transporté jusqu aux Tissus 100 1,5% de l O2 est transporté sous forme dissoute Pour 1 mmhg de PO2 0,003 ml d O2 DISSOUS / 100ml de sang 0,3 ml d O2 dissous/ 100ml de sang 98,5% transporté sous forme d oxyhémoglobine 1g de Hb 1,39ml d O2 avec PO2+++ [Hb] = 15g.dL-1 SaO2 pour 100mmHg de PaO2 est de ~97,5% 1,39 x 15 x 0,975 = 20,3ml d O2/100ml de sang liés à Hb Contenu en O2: (1,39 x [Hb](g.dL-1) x %SaO2) + 0,003 PO2(mmHg) 100
Transport de l Oxygène par l Hémoglobine Relation non-linéaire (sigmoïde) Relargage et prise en charge facilité (pente) Protection contre variation de PO2 (ex: altitude) Déplacement vers la droite de la courbe de dissociation de l O2 (diminution de l affinité Hb-O2) par un accroissement de H+, PCO2, T et de 2-3diphosphoglycérate. Diminution de l affinité de l Hb pour O2 (ex: muscle) Et inversement Sg veineux Sg artériel
Transport des Gaz dans le sang CO2 transporté sous forme dissoute (7-10%) carbhémoglobine (30%) bicarbonates HCO3-
La Myoglobine Myoglobine transporte l O2 au sein des muscles Réserve musculaire d O2 mais relativement faible chez l Homme (qques secondes d un exercice intense)
L Oxygène de l organisme
II Échanges gazeux pulmonaires et Exercice
Gaz alvéolaires - gaz et ph du sang Au niveau artériel SaO2 et PaO2 restent relativement constants. Légères variations avec exercice intense car acidose (-SaO2) et hyperventilation (+PaO2). CaO2 augmente car hémoconcentration à l exercice très intense
III Ventilation et Exercice
Ventilation et intensité d exercice. - VE ne varie pas linéairement - Deux Seuils Ventilatoires coïncidant plus ou moins avec seuils lactiques Acide lactiques libération de H+ + HCO3H2CO3 H2O+CO2... VE avec VE/VO2 = SV1 Acide lactiques libération de H+..... VE avec VE/VO2et VE/VCO2 = SV2 Mais aussi implication de K+, T et catécholamines
Régulation de la réponse ventilatoire à l exercice. Phase d augmentation de VE très rapide: - activité corticale - régulation proprioceptive par mécanorécepteurs musculaires et articulaires Phase progressive: régulation métabolique (essentiellement CO2 et H+)
Majoration du volume courant à l exercice Réserve inspiratoire Réserve expiratoire VT augmente au dépend des réserves inspiratoire expiratoire dans la limite des possibilités de la CV et
Limitations mécaniques pulmonaires L de ventilation pourrait être limitée à l exercice par les propriétés mécaniques du poumon: - débits bronchiques et résistances des voies aériennes - capacité de rétraction élastique du poumon (compliance pulmonaire ) - volume pulmonaire
IV Ventilation et Entraînement
Demande vs Capacité Avec l entraînement, la demande énergétique d exercice,. les niveaux maximaux de VE aussi (150-200L.min-1). Pour éviter d atteindre les limites de la fonction respiratoire face à une demande accrue adaptations spécifiques avec l entraînement (+++ aérobie).
Ventilation et entraînement Pour un même niveau d exercice les sujets entraînés ventilent moins lors d exercices modérés à intense (en général.... VE/VO2 et VE/VCO2). Les causes possibles sont: - Sensibilité des centres au CO2 - Utilisation des lipides ( production CO2) - Niveau d acidose (acide lactique) - Limitation mécanique pulmonaire (rares)
Avantages de diminuer la ventilation sousmaximale Améliorer le rendement ventilatoire et diminuer le coût de la respiration Préserver les limites mécaniques du poumon pour atteindre de hauts niveaux de ventilation suffisants pour une bonne efficacité respiratoire
V Coût Énergétique de la Ventilation
Coût de la ventilation d exercice Travail des muscles respiratoires Insp mais aussi Exp pour des ventilations intenses L hyperpnée d exercice Flux sanguin vers ces muscles pour leur dépense énergétique Travail cardiaque (15% à l exercice intense)
Coût énergétique respiratoire et performance.. VO2resp = 15% VO2Tot compétition de l apport en O2 entre muscles respiratoires vs locomoteurs Compétition du flux sanguin à l exercice très intense vasoconstriction au niveau des m. locomoteurs (restriction du flux sanguin) Travail des muscles respiratoires peut-il altérer la performance motrice?
Réponse: OUI Harms et al., 2000.. Tlim à 90%VO2max chez spotif avec VO2max > 60 ml.min-1.kg-1 Resp normale Resp assistée (Wresp --) Resp contre résitance (Wresp++) Résultats:. Avec respiration assistée VO2tot plus faible de la dépense énergétique due à la Ventilation Tlim est +++ qu avec resp normale Inversement avec resp résistée car flux sanguin vers les jambes serait et la fatigue musculaire ( de RPE). Ceci ne semble pas vrai pour des exercices <80%VO2max
Fatigue et entraînement W respiratoire très important peu amener à une fatigue des muscles respiratoires. (exercice > 10 minutes et > 85%VO2max) Ceci potentialise la compétition entre muscles respiratoires vs locomoteurs Un entraînement spécifique des muscles respiratoires semblerait augmenter les performances chez des sujets sportifs d endurance Nouvelles perspectives de l entraînement sportif
VI Fonction Cardiaque
VI Aptitude Aérobie
APTITUDE AEROBIE COMPOSANTES. VO2max ECONOMIE DE LOCOMOTION ENDURANCE AEROBIE
.. VO2 max est le débit maximal (V) de production d énergie par voie oxydative. Il correspond à la quantité maximale (max) d oxygène (O2) qu un organisme peut utiliser par unité de temps (l/min) au cours d un exercice intense et de durée prolongée C est la puissance maximale du métabolisme aérobie (Débit énergétique aérobie maximal)
La puissance aérobie maximale (PAM ):. est la puissance (mécanique) atteinte à VO2max. La vitesse aérobie maximale (VAM): est la vitesse limite de locomotion à laquelle est. atteinte VO2max Elle résulte de l interaction :. - de VO2max - et de l économie de course
L économie de locomotion est le plus faible coût énergétique requis pour se déplacer sur une distance donnée (généralement un mètre) à une vitesse donnée Unité : ml d oxygène (cal ou j) par kg de masse corporelle et par mètre parcouru
L endurance aérobie (AE) est la fraction. ou le pourcentage de VO2 max, de la puissance aérobie maximale (PAM) ou de la vitesse aérobie maximale (VAM) susceptible d être maintenu pendant une DUREE DONNEE Exemple: courir trente minutes à 70% de sa VAM
L endurance aérobie est aussi la durée d une activité susceptible d être maintenue à un pourcentage donné :. de VO2 max, de la PAM ou de la VAM. Exemple : Fixer une vitesse de course correspondant à 90,95 ou 100% de la VAM et chronométrer la durée tenue à cette vitesse.
APTITUDE AEROBIE EXPRESSIONS SYNONYMES APTITUDE AEROBIE CAPACITE AEROBIE EFFICACITE du SYSTEME de TRANSPORT de l OXYGENE & des PROCESSUS ENERGETIQUES AEROBIES
APTITUDE AEROBIE COMPOSANTES PUISSANCE ENDURANCE RENDEMENT MECANIQUE
1. PUISSANCE AEROBIE EXPRESSIONS SYNONYMES PUISSANCE MAXIMALE AEROBIE (PMA) mécanique CONSOMMATION MAXIMALE D OXYGENE physiologique
2. ENDURANCE AEROBIE EXPRESSIONS SYNONYMES ENDURANCE AEROBIE CAPACITE AEROBIE SEUIL «ANAEROBIE» PUISSANCE CRITIQUE tlim
3. RENDEMENT MECANIQUE EXPRESSION SYNONYMES RENDEMENT MECANIQUE MECHANICAL EFFICIENCY ECONOMIE GESTUELLE ECONOMIE DE COURSE COUT ENERGETIQUE ENERGIE REQUISE
IMPORTANCE de VO2MAX Sjodin & Svedenhag, Sports Med 2: 83-99, 1985 20 ELITE r = 0.01 ELITE INTERMED 2:20 - NOVICE 2:30 16 TEM P S (h:m in) V ITES S E (k m h -1 ) 18 2:10-2:40 ELITE + INTERM. r = 0.67 2:50 - E+ I + N r = 0.78 3:30-14 12 3:00-4:00 10 50 60 70 VO 2max (ml kg 80-1 -1 min ) 90
VO2max vs PERFORMANCE DU 100m au 80km pour 20 ETUDES Léger & Mercier, 1983 1,1 1,0 CORRELATION 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 té é. H r G 0,4 0,3 ro ne è g 0,2 0,1 0,0-0,1-3 Gr. 0.1 0.4-2 -1 gène o m Ho DISTANCE (km) 1.5 3 5 0 1 10 2 DISTANCE (ln km) 20 3 42.2 4 5
IMPORTANCE DE L'ECONOMIE DE COURSE VO2max égal & EC différente Noakes, Med Sci Sports Exerc 20 (4): 319-330, 1988 VO 2 ( ml kg-1 min -1 ) 70 60 50 40 C d e T Jim 30 20 10 o 42 : t t rbi 12 14 2 :4 : km 2 gh a n o McD :4 :2 2 : 2 km 9 VMA 18.6 16 VITESSE ( km h-1 ) 20/05/99 18 VMA 20.4 20 22
Sjodin & Svedenhag, Sports Med 2: 83-99, 1985 20 ELITE r = 0.01 ELITE INTERMED 2:20 - NOVICE 2:30 16 TEM P S (h:m in) V ITES S E (k m h -1 ) 18 2:10-2:40 ELITE + INTERM. r = 0.67 2:50 - E+ I + N r = 0.78 3:30-14 12 3:00-4:00 10 50 60 70 VO 2max (ml kg 80-1 -1 min ) 90
IMPORTANCE DE L'ECONOMIE DE COURSE Une bonne EC peut compenser pour un VO2max faible Daniels, 74 selon Noakes, MSSE 88-1 -1 VO2max, ml kg VITESSE (km min h-1) 80 0 :3 5 1 : m 3. 2 k m in -1 : R B l kg - 1 U E R m C O U ax: 7 2 m V O2 70 60 50 1 10 :3 : m k : 3. 2 1 m in -1 A kg EU R l R m U 7 CO x: 5 a m V O2 40 30 20 9 11 13 15 VO2max (ml kg-1 min-1) -1 VITESSE, km h 20/05/99 17 19
CONCEPT DE L ENDURANCE TEMPS LIMITE VO2max 55 INTENSITE B 50 A 45 0 5 DUREE ( 10 min 15 )
IMPORTANCE DE L APTITUDE AEROBIE SPORTS COLLECTIFS Meilleur jeu de position Anticipation vs réaction Mieux préparé à réagir au besoin Pressing défensif Meilleur volume d entraînement Physique, Technique et Tactique
IMPORTANCE DE L APTITUDE AEROBIE SPORTS COLLECTIFS (suite) Effets sur autres sources d énergie Élimination du lactate Resynthèse de PC Diminution des blessures
Représentation de l'évolution de la VO2 en fonction de la vitesse de course
Évolution de la VO2 d'un coureur de demi-fond en fonction de la vitesse de course au cours d'un test progressif par paliers de 3' avec 1' d'arrêt entre chaque palier
Représentation de l'évolution moyenne de la VO2 en fonction du temps au cours d'un exercice réalisé à vitesse constante