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Physiologie intégrée de la fatigue musculaire: centrale ou périphérique ?
Philippe Gagnon Ph.D., ACSM CES®
26e CONGRÈS
FÉDÉRATION DES KINÉSIOLOGUES DU QUÉBEC
LÉVIS, QUÉBEC
3 MAI, 2014
Plan de la présentation
Introduction • Concepts de physiologie
– Fatigue musculaire – Mécanismes de rétroaction périphériques
Discussion • Interactions centrales & périphériques • Applications en kinésiologie Conclusion Questions
Fatigue musculaire
• Réduction transitoire de la capacité d’un muscle à produire une force suite à un effort
• Origine centrale – Diminution de l’impulsion motrice du SNC (commande centrale)
• Origine périphérique – Altération de l’appareil contractile lui-même
Définition
Composantes indissociables
Physiologie musculaire
• Le pH musculaire
In vivo – pH artériel < 7,1 (Acidose métabolique) – pH musculaire < 6,6 = arrêt de l’effort (Hermansen L et al., J Appl Physiol, 1972, Sahlin K et al., Pflugers Arch, 1976)
In vitro – pH musculaire ~ 6,6 = unité musculaire fonctionnelle (Westerblad H et al., J Physiol, 1997, Wiseman RW et al., Am J Physiol, 1996)
Exercice maximal
• Le recrutement musculaire lors d’un effort max:
– Athlète « récréationnel » : ~ 30% unités motrices recrutés (Kay D et al., Eur J Appl Physiol, 2001, St Clair GA et al., Am J Physiol, 2001) - Athlète d’élite : ~ 40-50 % unités motrices recrutés (Noakes TD et al., Br J Sports Med, 2004)
Physiologie musculaire Recrutement moteur
Physiologie musculaire
• La concentration intra-musculaire d’ATP
– ≠ Réduction < 50 % des concentrations de base en ATP (Noakes TD et al., Br J Sports Med, 2004)
Régulation externe afin de préserver l’intégrité de l’appareil musculaire
Exercice maximal
Efficacité musculaire
• Réseau capillaire (apport en O2, glucose)
• Enzymes glycolytiques/aérobies
• Proportions de fibres I/IIA/IIB (Gandevia et al., Physiol Rev, 2001)
• Commande nerveuse centrale (signaux efférents/moteurs)
Composantes intrinsèques
Composantes extrinsèques
Voies de communication
• Voie efférente (corne ventrale) • Voie afférente (corne dorsale)
III -> légèrement myélinisées (Δ30-200 msec)
IV -> non-myélénisées (Δ5-30 sec)
Mécanismes de rétroaction
• Projections corticales (afférences sensitives)
1. Stimulus chimiques : MÉTABORÉCEPTEURS
2. Stimulus mécanique : MÉCANORÉCEPTEURS
3. Stimulus de douleur : NOCICEPTEURS
Activité musculaire
Efférences (Commande motrice)
vs. Afférences III/IV (Métabo/Mécano/Nocicepteurs)
______________________________
• Projection corticale modulée par la production locale de métabolites 1
• Système impliqué dans la régulation de la fatigue musculaire 2,3
Adapté de
Dempsey JA et al., Respir Physiol Neurobiol, 2006
Régulation physiologique
[1Rotto DM. et al J Appl Physiol, 1988; 2Amann M. et al. J Physiol, 2009; 3Amann M. et al., J Physiol, 2008]
Afférences III/IV
Fatigue musculaire
Étude réalisée chez des athlètes (n=8)
Régulation constante
[Amann M. et al., J Physiol, 2008]
Implications directes
1. Population MPOC – Machinerie métabolique musculaire altérée
[Gagnon et al., AJRCCM, 2012]
2. Athlètes
– Composante motivationnelle « optimale » – Limites de l’effort «physiologiques»
[Amann et al., J Physiol, 2009]
Afférences III/IV
• Pour une charge sous-max donnée: – é[La] et de la production de lactate chez MPOC1
[1Maltais F et al. J Appl Physiol, 1998]
Témoins
MPOC
Désordre métabolique-MPOC
Afférences III/IV
Lien possible entre Intolérance à l’effort
& Dysfonction musculaire
dans la MPOC
___________________________________
Ç signaux afférents ([La]); È commande motrice centrale; Arrêt précoce de l’effort Adapté de
Dempsey JA et al., Respir Physiol Neurobiol, 2006
Problématique Afférences III/IV
Injection intrathécale (L3/L4) Fentanyl [25μg] (0.5 mL; 0.05 mg � mL-1) Placebo (0.5 mL, NaCl)
Pie mère
Arachnoïde
Dure-mère
Approche méthodologique MPOC
TwQpot
MVC
CO2 Rebreathing
Placebo
or
Fentanyl
TwQpot
MVC
TwQpot
MVC
CO2 Rebreathing
V3 V4 Double-blind
Randomized order
7 days apart
V1 V2
- Informed consent - Maximal incremental cycling test - Pulmonary function test
- 2 familiarization constant workrate cycling endurance tests (CWT) at 80% of the predetermined maximal workload
TwQpot
MVC
CO2 Rebreathing
Placebo
or
Fentanyl
TwQpot
MVC
TwQpot
MVC
CO2 Rebreathing
V3 V4 Double-blind
Randomized order
7 days apart
V1 V2
- Informed consent - Maximal incremental cycling test - Pulmonary function test
- 2 familiarization constant workrate cycling endurance tests (CWT) at 80% of the predetermined maximal workload
TwQpot
MVC
CO2 Rebreathing
Placebo
or
Fentanyl
TwQpot
MVC
TwQpot
MVC
CO2 Rebreathing
V3 V4 Double-blind
Randomized order
7 days apart
V1 V2
- Informed consent - Maximal incremental cycling test - Pulmonary function test
- 2 familiarization constant workrate cycling endurance tests (CWT) at 80% of the predetermined maximal workload
TwQpot
MVC
CO2 Rebreathing
Placebo
or
Fentanyl
TwQpot
MVC
TwQpot
MVC
CO2 Rebreathing
V3 V4 Double-blind
Randomized order
7 days apart
V1 V2
- Informed consent - Maximal incremental cycling test - Pulmonary function test
- 2 familiarization constant workrate cycling endurance tests (CWT) at 80% of the predetermined maximal workload
Placebo
ou
Fentanyl
Force Quadriceps
V3 V4 Double-insu
Randomisé
7 jours d’intervalle
V1 V2
- Consentement - Test d’effort maximal sur vélo - Fonction pulmonaire
- Familiarisation: Test d’endurance, Force musculaire
Force Quadriceps
Structure de l’étude MPOC
Tem
ps d
’end
uran
ce (s
ec)
0
200
400
600
800
1000
1200
Placebo Fentanyl
* (p = 0.01)
Δ 215 ± 66 sec
Moy. ± S.E.M.
Résultats MPOC
Temps d’endurance (sec) 0 200 400 600 800
20 30 40 50 60 70
Fentanyl Placebo
VE (L
/min
)
* (ANOVA. p ≤ 0.05)
VMV
Moy. ± S.E.M.
Résultats MPOC
MPOC Réponse cardiovasculaire
Temps d’endurance (sec) 0 200 400 600 800
Pre
ssio
n ar
térie
lle m
oyen
ne (m
mH
g)
90 100 110 120 130 140
Fentanyl Placebo
* (ANOVA. p ≤ 0.05)
Mean ± S.E.M.
Rationnel
A Lactate (mmol/L)
0 2 4 6 8 10 20 30 40 50 60 70 80
VE (
L/m
in)
*
*
Dys
pneé
(Bor
g)
0
2
4
6
8
10
Temps d’endurance (sec)
0 200 400 600 800
B
†
* (ANOVA. p ≤ 0.05); † p = 0.07 Mean ± S.E.M.
Fentanyl Placebo
Afférences III/IV
Résumé Mécanismes de l’intolérance à l’effort
Afférences type III/IV sont impliquées dans l’intolérance à
l’effort
Via la réponse ventilatoire
Les dérangements métaboliques musculaires pourraient contribuer à ce
phénomène
Implications directes
1. Population MPOC – Machinerie métabolique musculaire altérée
[Gagnon et al., AJRCCM, 2012]
2. Athlètes
– Composante motivationnelle « optimale » – Limites de l’effort «physiologiques»
[Amann et al., J Physiol, 2009] [Amann et al., J Physiol, 2011]
Afférences III/IV
[Amann M. et al., J Physiol, 2009]
• Athlètes (n=8)
• Modalité d’exercice : Ergocycle – «contre-la montre» sur 5 km • Fentanyl ou Placebo intrathécal, L3-L4
Devis de l’étude Athlètes
[Amann M. et al., J Physiol, 2011]
• Athlètes (n=7)
• Modalité d’exercice : Ergocycle à 80 % Wmax ad épuisement • Fentanyl ou Placebo intrathécal, L3-L4
Devis de l’étude Athlètes
Rationel Afférences III/IV
Blocage des afférences III/IV = Réponse circulatoire et ventilatoire inadéquate/démesurée
Aspect psychologiques
Fatigue mentale affecte la performance physique • Exercice à 80% de Wmax ad épuisement (n=16) • Condition témoin vs. travail mental Δ90 min
• Réponse cardiorespiratoire comparable • Perception d’effort plus importante (fatigue) • Temps ad épuisement réduit (fatigue)
[Marcora et al., J Appl Physiol, 2009]
Application pratique Kinésiologie
• Contexte de réadaptation cardiaque/pulmonaire
• Implication centrale de l’efficacité métabolique musculaire sur • Tolérance à l’effort • Réponse cardiopulmonaire à l’effort
• Importance de traiter le muscle afin d’aider les patients avec des conditions chroniques • MPOC (fonction pulmonaire) • Insuffisant cardiaque (FÉ, Q)
Conclusion
• Physiologie bien construite: • Blocages des voies N = effets indésirables
et complexe • Aspects psychobiologiques • Réponses cardiaque et pulmonaire
• Afférences III/IV : un système de régulation
important et ayant des impacts tangibles
Remerciements
• Thierry Gaudet-Savard • Linda Drolet • Dr François Maltais • Dr Didier Saey • Dre Annie Dubé • Marie-Josée Breton • Josée Picard • Brigitte Jean • Marthe Bélanger • Dr Steeve Provencher • Dr Jean Bussières • Dre Nathalie Gagné • Dr Serge Gagnon • Dr Pierre Leblanc • Fernanda Ribeiro
• Éric Nadreau • Vincent Mainguy • Les patients