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

Physiologie intégrative Wasserman

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

Résultats Athlètes

Fatigue supraphysiologique Athlètes

•  Incapacité motrice marquée après l’effort «désinhibé»

[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

Athlètes Résultats

•  ê VE •  éPETCO2

•  ê MAP •  ê FC •  ê SaO2

Rationel Afférences III/IV

Blocage des afférences III/IV = Réponse circulatoire et ventilatoire inadéquate/démesurée

Mécanismes de rétroaction Synthèse

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

Questions