Exploration de l’efficience motriceExploration de l’efficience motrice

Master 1ère annéeMaster 1ère année

P. MucciP. Mucci

II

Aspects généraux de la Aspects généraux de la

fonction respiratoirefonction respiratoire

La fonction respiratoireLa 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 respiratoiresLes mouvements respiratoires

Mouvements respiratoires grâce à:

- l’action des muscles respiratoires

- propriétés élastiques du système respiratoire (poumon, plèvre, cage thoracique)

Mouvements respiratoires = variation de Pressions dans les poumon

=> entrée et sortie d’air du tractus respiratoire

• Voies aériennes supérieures (conduction, filtrer, réchauffer et saturer en eau)

• Voies aériennes inférieures (idem + échanges)

Le tractus respiratoireLe tractus respiratoire

Tractus respiratoire : VA inférieuresTractus 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 volume mort VD (~150ml)

Structure de la Zone respiratoireStructure de la Zone respiratoire

(a) Vue schématique de l’unité fonctionnelle des poumons (bronchiole respiratoire, conduits alvéolaires, saccules alvéolaires et alvéoles).

(b) 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 respiratoiresMuscles 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 RespiratoiresAction des Muscles Respiratoires

Les volumes pulmonairesLes 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)

Mouvement d’air être définis par des volumes pulmonaires

Les centres respiratoiresLes centres respiratoiresLes centres du tronc CérébralLes centres du tronc Cérébral • Centres respiratoires Bulbaires :Centres respiratoires Bulbaires :

zone inspiratoire responsable du rythme de base de VE (potentiels d’actions spontanés) + aire expiratoiren’intervenant que lors d’une expiration active

• Centre Apneustique :Centre Apneustique : excitateur des c. bulbaires mais rôle mal connu

• Centre Pneumotaxique :Centre Pneumotaxique : inhibe l’inspiration ( centre bulbaire) et contrôle le volume inspiratoire () et secondairement la fréquence respiratoire ()

La respiration est aussi très largement sous La respiration est aussi très largement sous contrôle volontairecontrôle volontaire

Le Le Cortex cervicalCortex cervical peut surpasser peut surpasser (dans une certaine mesure)(dans une certaine mesure) le Tronc Cérébral dans le Tronc Cérébral dans sa fonction de régulationsa fonction de régulation

Les Chémorécepteurs CentrauxLes Chémorécepteurs Centraux

Zones centrales chémosensibles sont Zones centrales chémosensibles sont situées au niveau du bulbe rachidiensituées au niveau du bulbe rachidien

Les chémorécepteurs centraux baignent dans le liquide Les chémorécepteurs centraux baignent dans le liquide extracellulaire (LEC) dans lequel le COextracellulaire (LEC) dans lequel le CO22 diffuse facilement à diffuse facilement à partir des vaisseaux vers le liquide céphalo-rachidien (LCR). Le partir des vaisseaux vers le liquide céphalo-rachidien (LCR). Le COCO22 diminue le pH du LCR stimulant ainsi les chémorécepteurs. diminue le pH du LCR stimulant ainsi les chémorécepteurs.

Les ions HLes ions H++ et HCO et HCO33- ne traversent pas facilement la barrière - ne traversent pas facilement la barrière sang-cerveau.sang-cerveau.

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

Chémorécepteurs PériphériquesChémorécepteurs 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 ventilatoireAutres 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-capillairesÉchanges alvéolo-capillaires

Mécanisme passif, nécessite un temps de contact suffisant (0,25s alors qu’au repos il est de 0,75s)

Transport de l’OxygèneTransport de l’Oxygène

100

100

Une fois dans les capillaires pulmonaires l’O2 va être transporté jusqu’aux Tissus

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’oxyhémoglobine1g 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)

Transport de l’Oxygène par l’HémoglobineTransport 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 2-3-

diphosphoglycérate.

Diminution de l’affinité de l’Hb pour O2 (ex:

muscle)

Et inversement

Sg veineux Sg artériel

Transport des Gaz dans le sangTransport des Gaz dans le sang

CO2 transporté sous forme

• dissoute (7-10%)

• carbHémoglobine (30%)

• bicarbonates HCO3-

La MyoglobineLa 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’organismeL’Oxygène de l’organisme

IIII

Échanges gazeux Échanges gazeux

pulmonaires et pulmonaires et

ExerciceExercice

Gaz alvéolaires - gaz et pH du sangGaz 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

IIIIIIVentilation et ExerciceVentilation et Exercice

Ventilation et intensité d’exerciceVentilation et intensité d’exercice

- VE ne varie pas linéairement- Deux Seuils Ventilatoires coïncidant plus ou moins avec seuils lactiques

Acide lactiquesAcide lactiques

libération de Hlibération de H++

HH22COCO3 3 →→ H H22O+COO+CO22

+ HCO+ HCO33--

VE avec VE avec VE/VOVE/VO22 = = SV1SV1.. .. ..

..

Acide lactiquesAcide lactiques

libération de libération de HH++

VE avec VE avec VE/VOVE/VO22etet VE/VCO VE/VCO22

= = SV2SV2

.. .. .. ....

Mais aussi implication de KMais aussi implication de K++, T° et catécholamines , T° et catécholamines

Régulation de la réponse ventilatoire à l’exerciceRégulation 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’exerciceMajoration du volume courant à l’exercice

Réserve expiratoire

Réserve inspiratoire

VT augmente au dépend des réserves inspiratoire et expiratoire dans la limite des possibilités de la CV

Limitations mécaniques pulmonairesLimitations 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

IVIVVentilation Ventilation

et Entraînementet Entraînement

Demande Demande vsvs Capacité 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 entraînementVentilation 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 sous-Avantages de diminuer la ventilation sous-maximalemaximale

• 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

VVCoût Énergétique de la Coût Énergétique de la

VentilationVentilation

Coût de la ventilation d’exerciceCoût de la ventilation d’exercice

L’hyperpnée d’exercice

Travail des muscles respiratoires Insp mais aussi Exp pour des ventilations intenses

Flux sanguin vers ces muscles pour leur dépense énergétique

Travail cardiaque (15% à l’exercice intense)

Coût énergétique respiratoire et performanceCoût 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: OUIRéponse: OUI

Ceci ne semble pas vrai pour des exercices <80%VO2max

.

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 VentilationTlim est +++ qu’avec resp normale

• Inversement avec resp résistée car flux sanguin vers les jambes serait et la fatigue musculaire ( de RPE)

.

.

.

Fatigue et entraînementFatigue 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

.

VIVIFonction CardiaqueFonction Cardiaque

VIVIAptitude AérobieAptitude Aérobie

APTITUDE AEROBIECOMPOSANTES

• VO2max• ECONOMIE DE LOCOMOTION• ENDURANCE AEROBIE

.

VOVO22 max 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 locomotionL’économie de locomotion est le plus faible coût énergétique requis pour se déplacer sur une distance donnée (généralement un mètre) à une vitesse donnée

UnitéUnité : ml d’oxygène (cal ou j) par kg de masse corporelle et par mètre parcouru

L’endurance aérobie (AE)L’endurance aérobie (AE) est est la fractionla fractionou le ou le pourcentagepourcentage de VOde VO22 max , de la max , de la puissance aérobie maximale (PAM) ou de puissance aérobie maximale (PAM) ou de la vitesse aérobie maximale (VAM) la vitesse aérobie maximale (VAM) susceptible d’être maintenu pendant une susceptible d’être maintenu pendant une DUREE DONNEEDUREE DONNEE

Exemple:Exemple: courir trente minutes à 70% courir trente minutes à 70%

de sa VAMde sa VAM

.

L’endurance aérobieL’endurance aérobie est aussiest aussi laladuréedurée d’une activité susceptible d’être d’une activité susceptible d’être maintenuemaintenue àà un pourcentage donné :un pourcentage donné :de VOde VO22 max, de la PAM ou de la VAM. max, de la PAM ou de la VAM.

Exemple :Exemple : Fixer une vitesse de Fixer une vitesse de course correspondant à 90,95 ou course correspondant à 90,95 ou 100% de la VAM et chronométrer la 100% de la VAM et chronométrer la durée tenue à cette vitesse.durée tenue à cette vitesse.

.

APTITUDE AEROBIEEXPRESSIONS SYNONYMES

° APTITUDE AEROBIE

° CAPACITE AEROBIE

° EFFICACITE du SYSTEME de TRANSPORTde l’OXYGENE & des PROCESSUSENERGETIQUES AEROBIES

APTITUDE AEROBIE

COMPOSANTES

° PUISSANCE

° ENDURANCE

° RENDEMENT MECANIQUE

1. PUISSANCE AEROBIE

EXPRESSIONS SYNONYMES

°° PUISSANCE MAXIMALE AEROBIE (PMA)

mécanique

° CONSOMMATION MAXIMALE D’OXYGENEphysiologique

2. ENDURANCE AEROBIE

EXPRESSIONS SYNONYMES

° ENDURANCE AEROBIE

° CAPACITE AEROBIE

° SEUIL « ANAEROBIE »

° PUISSANCE CRITIQUE

° tLIM

3. RENDEMENT MECANIQUE

EXPRESSION SYNONYMES

° RENDEMENT MECANIQUEMECHANICAL EFFICIENCY

° ECONOMIE GESTUELLE

° ECONOMIE DE COURSE

° COUT ENERGETIQUE

° ENERGIE REQUISE

Sjodin & Svedenhag, Sports Med 2: 83-99, 1985

VO 2max (ml kg -1 min -1)

VITE

SSE

(km

h-1

)

TEM

PS (

h:m

in)

10

12

14

16

18

20

50 60 70 80 90

ELITEINTERMEDNOVICE

ELITEr = 0.01

ELITE + INTERM.r = 0.67

E + I + Nr = 0.78

2:10 -

2:20 -

2:30 -

2:40 -

2:50 -3:00 -

3:30 -

4:00 -

IMPORTANCE de VO2MAX

VO2max vs PERFORMANCE DU 100m au 80km pour 20 ETUDESLéger & Mercier, 1983

DISTANCE (ln km)

CORR

ELAT

ION

-0,10,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,01,1

-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

Gr. Homogène

Gr. Hétérogène

DISTANCE (km)0.1 0.4 1.5 3 5 10 20 42.2

20/05/99

IMPORTANCE DE L'ECONOMIE DE COURSE

VITESSE ( km h-1 )

Noakes, Med Sci Sports Exerc 20 (4): 319-330, 1988

VO2

( m

l kg-1

min

-1 )

20

30

40

50

60

70

10 12 14 16 18 20 22

Ted Corbitt: 42 km: 2:42

Jim McDonagh: 42 km: 2:29

VMA18.6

VMA20.4

VO2max égal & EC différente

Sjodin & Svedenhag, Sports Med 2: 83-99, 1985

VO 2max (ml kg -1 min -1)

VITE

SSE

(km

h-1

)

TEM

PS (

h:m

in)

10

12

14

16

18

20

50 60 70 80 90

ELITEINTERMEDNOVICE

ELITEr = 0.01

ELITE + INTERM.r = 0.67

E + I + Nr = 0.78

2:10 -

2:20 -

2:30 -

2:40 -

2:50 -3:00 -

3:30 -

4:00 -

20/05/99

VO2max (ml kg-1 min-1)

VITE

SSE

(km

h-1

)

20

30

40

50

60

70

80

9 11 13 15 17 19

COUREUR B: 3.2 km: 10:35

VO2max: 72 ml kg-1 min-1

COUREUR A: 3.2 km: 10:31

VO2max: 57 ml kg-1 min-1

Daniels, 74 selon Noakes, MSSE 88

IMPORTANCE DE L'ECONOMIE DE COURSEVO

2max

, ml k

g-1 m

in-1

VITESSE, km h-1

Une bonne EC peut compenser pour un VO2max faible

CONCEPT DE L ’ENDURANCETEMPS LIMITE

0 5 10 15

45

50

55

INTE

NSI

TE

DUREE ( min )

VO2max

B

A

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 courseau 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