Physiologie de l'exercice - Vers une compréhension des limites de la performance motrice.

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Au cours d'un exercice physique, le contrôle de la ventilation est donc multifactoriel.

Lors d'un exercice réalisé à une intensité constante, la ventilation, et notamment le débit ventilatoire s'ajustent en 3 phases. La 1ère phase coïncide avec le début de l'exercice et correspond à une augmentation très brutale de la ventilation. Elle ne dure que quelques secondes. Cette phase est sous l'influence des informations envoyées par le cortex moteur et les muscles actifs vers le centre respiratoire.

La 2ème phase correspond à une augmentation un peu moins importante de la ventilation. Cette phase dépend également de l'influence d'une activation centrale. Elle dure 3 à 4 minutes.

La 3ème phase correspond à l'ajustement durant le reste de l'exercice, jusqu'à son arrêt. Les mécanismes de régulation sont opérationnels pour que la ventilation s'adapte aux besoins en oxygène des cellules, rejette le CO2 produit et compense l'acidose métabolique induite par l'exercice.

Adaptation de la consommation d'oxygène au cours d'un exercice de faible intensité constante

L'évolution de la consommation d'oxygène au cours d'un exercice d'intensité constante est identique et en découle. La courbe de VO2 n'atteint pas instantanément le niveau de consommation correspondant aux besoins énergétiques des cellules. Durant une période de 3 à 4 minutes, la consommation est donc inférieure aux besoins réels. La différence entre la consommation correspondant aux besoins et qui sera atteinte par la suite et celle du début de l'exercice correspond à ce qu'on appelle le déficit d'oxygène. Durant cette phase, la filière aérobie ne peut répondre seule à la re-synthèse énergétique. A la fois car il y a un certain délai nécessaire à sa pleine activation et parce que la ventilation est insuffisante pour apporter suffisamment d'oxygène aux cellules. L'ATP est alors momentanément re-synthétisé par les filières anaérobie, même si l'intensité d'exercice est faible.

Durant la suite de l'exercice, la consommation d'oxygène est stable, proportionnelle à l'intensité d'exercice et aux besoins cellulaires.

La récupération de la consommation de repos est exponentielle et rapide.

Adaptation de la consommation d'oxygène au cours d'un exercice de forte intensité constante

Lorsque l'intensité d'exercice est très importante, les possibilités maximales de consommation d'oxygène sont dépassées. Le métabolisme aérobie ne peut alors suffire à la réalisation de l'exercice et c'est la filière anaérobie lactique qui fourni le reste de l'énergie nécessaire.

La récupération de la consommation d'oxygène de repos est beaucoup plus longue, une phase lente pouvant durer plusieurs heures s'ajoutant à une première phase rapide.

Adaptation de la consommation d'oxygène au cours d'un exercice incrémenté

Lors d'un exercice d'intensité progressivement croissante, comme lors d'un test Léger et Boucher en course par exemple, la consommation maximale d'oxygène augmente proportionnellement à l'intensité d'exercice. On peut d'ailleurs approximativement estimer la consommation d'oxygène d'un sportif en multipliant sa vitesse de course par 3,5. Mais on peut également assez facilement la mesurer directement sur le sportif pendant qu'il réalise son test soit en laboratoire, soit sur piste avec un analyseur de gaz portatif.

Dans ces conditions on peut alors observer que VO2 augmente progressivement et linéairement au fur et à mesure que le sportif augmente sa vitesse au fil des paliers du test, jusqu'à atteindre un plateau. Ce plateau correspond à la fameuse consommation maximale d'oxygène, connue sous la désignation VO2max. Ce maximum est propre à chacun bien entendu. Plus la condition physique est importante, plus le niveau de VO2max atteint est élevé. Mais quelque soit le niveau du sportif, il ne pourra pas dépasser ce maximum qui lui est propre. Tout simplement car ce niveau de consommation est limité par les capacités ventilatoires, de transport d'oxygène et du stock mitochondrial. Ces paramètres n'étant pas infinis, la consommation ne l'est pas non plus.

Chez la plupart des sportifs de niveau moyen, il sera difficile d'observer ce plateau. On parlera alors plus volontiers de VO2pic au lieu de VO2max. Cela est du au fait que pour observer un plateau, il faut que le sportif ait un niveau de condition physique pour continuer un ou plusieurs paliers d'exercices alors qu'il a déjà atteint son niveau maximal de consommation d'oxygène. Autrement dit, il faut que le sportif soit capable de courir ces paliers principalement grâce à la filière anaérobie lactique, alors qu'une fatigue importante a déjà été induite par les paliers précédents. Seuls les sportifs d'un bon niveau de condition physique sont capables de cela.

La vitesse correspondant au début du plateau de VO2max correspond à la Vitesse maximale aérobie : la fameuse VMA.

Comme son nom l'indique, c'est la vitesse maximale qui peut être atteinte grâce au métabolisme aérobie, théoriquement du moins. Mais cela ne signifie pas que seule la filière aérobie sert à re-synthétiser l'ATP lorsque l'on court à cette vitesse. La filière anaérobie intervient déjà dans une proportion plus ou moins importante. La VMA ne correspond donc pas à l'intensité de transition entre la filière aérobie et anaérobie lactique qui se situe donc avant cette intensité.

Adaptation du débit ventilatoire, de l'équivalent en oxygène et en dioxyde de carbone au cours d'un exercice de faible intensité constante

Une des façons de déterminer cette zone de transition entre ces 2 filières consiste à étudier l'évolution des paramètres ventilatoires tels que le débit ventilatoire, l'équivalent ventilatoire en oxygène ou en CO2 pendant ce même test incrémenté, tel que le protocole Léger et Boucher. C'est la méthode dite des seuils ventilatoires.

Au cours des 1ers paliers du protocole incrémenté, l'augmentation des besoins en Oxygène et du rejet de CO2 suit celle des besoins énergétiques. Le débit ventilatoire augmente donc linéairement. A un certain palier d'exercice, propre à chacun et au niveau de condition physique, les besoins énergétiques vont être tels qu'ils vont nécessiter un fonctionnement important de la glycolyse. Les protons libérés par l'ensemble des réactions vont s'associer aux ions bicarbonates pour former l'acide carbonique. Celui-ci va se dissocier en CO2 et en eau.

(CO2 + H20 → H2CO3 → HCO3- + H+ ).

Cela induit une cassure dans l'évolution du rejet de CO2 et du débit ventilatoire. Ces modifications correspondent au 1er seuil ventilatoire qui est en fait le seuil d'adaptation ventilatoire à l'excès de production de CO2.

Le débit ventilatoire suit ensuite à nouveau une évolution croissante et proportionnelle à l'intensité d'exercice, avec cette nouvelle pente, différente de celle observée avant le 1er seuil.

Puis une 2ème cassure est observée, là encore à une intensité d'exercice propre à chacun. Cette cassure s'explique par le fait que les ions bicarbonates qui servaient à tamponner l'excès de protons produits par la glycolyse sont en stock limités dans l'organisme. A force d'augmenter l'intensité de course, et donc la vitesse de glycolyse, la quantité de protons produits va finir par dépasser les capacités de tamponnage par les ions bicarbonates. La 2ème cassure dans l'augmentation de la ventilation est alors observée et correspond aux mécanismes de compensation ventilatoire de l'acidose métabolique induite par l'exercice. C'est le 2ème seuil ventilatoire. L'intensité à laquelle se produit ce 2ème seuil ventilatoire est approximativement la même que celle à laquelle se produit le seuil d'augmentation des ions lactates dans la cellule musculaire et le compartiment sanguin. Preuve une fois de plus de la synergie d'adaptation des grandes fonctions physiologiques.

C'est ce 2ème seuil ventilatoire qui représente la zone de transition aérobie/anaérobie lactique, qui se déroule donc bien avant l'atteinte de la VMA et de VO2max. Le 2ème seuil ventilatoire se situe approximativement à seulement 75% de la VMA, même si cette valeur diffère d'un sportif à l'autre, principalement en fonction de son niveau d'endurance. Elle est dans tous les cas largement inférieure à la VMA.

La détermination de ce seuil revêt un intérêt capital dans la construction des séances et du plan d'entraînement. Elle est donc effectuée de façon très courante chez le sportif de haut niveau. Le 1er seuil ventilatoire est utile quand à lui pour la prescription des séances d'entraînement dans un objectif de santé et de reconditionnement à l'exercice.

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