ASPECTS PHENOMENOLOGIQUES DE L'ASTREINTE MUSCULAIRE

LES ADAPTATIONS MOMENTANEES  

Michel LESBATS

 

Que se passe-t-il au niveau musculaire pendant un travail musculaire à puissance constante (document n°1) ?

- L'adaptation momentanée (individu non entrainé ; courbe type II) est le résultat d'un ensemble de modifications transitoires de notre physiologie pendant l'effort. (respiration, activité cardiaque etc…)

- L'adaptation à long terme ou entraînement (individu entraîné ; courbe type I) est le résultat du développement durable de notre capacité physique à effectuer un travail musculaire.

Ces adaptations sont possibles grace à des mécanismes régulatoires (cf cours 1ère année) qui peuvent être assimilées à des rétroactions négatives (feed-back négatif) dont l'objectif est de maintenir l'organisme dans des limites compatibles avec la vie.

- L'âge a une influence défavorable sur l'adaptation au travail musculaire. L'individu jeune possède de meilleures capacités physiques (courbe type I) que l'individu âgé (courbe type II).

Au cours du travail musculaire une quantité importante d'énergie (ATP) est dépensée par unité de temps. Le rendement du travail dynamique est de 20 à 30 %. Donc 70 à 80 % de l'énergie totale transformée lors du travail se retrouve gaspillée sous forme de chaleur qui augmente la température centrale de l'organisme.

La dépense énergétique totale de l'organisme varie approximativement de 1,2 Kcal/min à 15 Kcal/min :

1,2 Kcal/min au repos (métabolisme basal)

7,5 Kcal/min : travail modéré

10 Kcal /min : travail dur bien supporté

12,5 Kcal/min : travail fatiguant

15 Kcal/min : travail épuisant

L'organisme doit, par unité de temps, fournir en abondance au muscle les métabolites dont il a besoin (oxygène et glucose) et évacuer rapidement les déchets provenant de la contraction musculaire (CO2 issu des mécanismes biochimiques de la respiration musculaire et l'acide lactique issu de la fermentation musculaire).

Ces exigences sont réalisées par une augmentation des valeurs des paramètres ventilatoires (fréquence et amplitude) ce qui fournit le supplément d'oxygène nécessaire et permet l'évacuation du CO2, ainsi que par une augmentation de la vitesse de la circulation sanguine qui apporte les métabolites aux muscles et entraîne les déchets.

Au cours d'un travail modéré à puissance constante, la consommation d'oxygène n'augemente que progressivement. Le retoure au niveau de repos est également progressif. La surface Acorrespond à la dette d'oxygène ; celle-ci est "payée" pendant la récupération. La surface B est supérieure à la surface A.

De plus l'organisme est confronté au problème de l'évacua-tion d'une importante quantité de chaleur résultant de l'acti-vité musculaire. Ce problème est accentué lorsque le travail est effectué en ambiance chaude.

 

Les adaptations respiratoires

 

1) La consommation d'oxygène par unité de temps

Dès le début d'un travail musculaire réalisé à puissance constante on constate une augmentation très rapide du débit ventilatoire donc de la consommation d'oxygène (voir document ci-dessous)

.

Augmentation de la consommation d'oxygène au cours du travail musculaire.

 

Mais la consommation d'oxygène ne s'établit pas d'emblée au niveau requis pour assurer un approvisionnement correct des muscles : l'état stable est atteint après un délai de 1 minute pour un travail léger, de 5 à 10 minutes pour un travail très intense. Pendant cette période d'installation la puissance fournie par les muscles est supérieure à celle que permet normalement la consommation d'oxygène : il s'installe donc un état de dette en oxygène. (surface A figure ci-contre). Le muscle qui travaille en déficit d'oxygène doit :

 prélever celui-ci sur ses réserves (myoglobine) ; cette solution n'est pas efficace que pour un effort très bref.

 oxyder incomplètement le glucose en acide lactique, ce qui procure à peu près 18 fois moins d'énergie (ATP) qu'une oxydation complète, mais permet de fournir momentanément la puissance complémentaire nécessaire à la réalisation du travail musculaire lors de la phase d'installation (fermentation lactique).

Lors de cette phase d'installation, de mise en régulation ; les muscles sollicités fonctionnent en aérobiose partielle et en anaérobiose partielle.

Pendant la phase de stabilité, si la puissance de travail demandée n'est pas impossible à réaliser, les muscles reçoivent par unité de temps l'oxygène nécessaire à leurs besoins, mais le dette du début subsiste, ce qui est marqué par la présence dans le sang d'une quantité plus élevée que la normale d'acide lactique. Cette augmentation de l'acidité du sang et l'augmentation de la pression partielle en CO2, déclenche les réflexes interoceptifs d'adaptation cardiaque, circulatoire et ventilatoire à l'effort (cf cours 1ère année- régulation cardiaque, ventilatoire, circulatoire).

Lorsque le travail musculaire cesse, chacun sait que l'on ne récupère une ventilation normale qu'après un certain délai, qui peut dépasser 5 minutes pour un travail intense. Au cours de cette période la dette en oxygène est compensée (surface B schéma ci dessus) : la myoglobine récupère l'oxygène qu'elle stocke normalement, et le foie oxyde 1/5 de l'acide lactique du sang ce qui lui permet, grâce à l'énergie produite ainsi, de transformer à nouveau les 4/5 restants en glucose (phase de récupération ). Le déficit énergétique musculaire est comblé : reconstitution des réserves musculaires en phosphocréatine.

La dette en oxygène peut atteindre au maximum 15 à 20 litres. Vers 3500cm3/minute environ, on constate que la consommation ne peut plus augmenter. Cette consommation maximale d'O2 (VO2 max.) ou capacité aérobie varie avec le degré d'entraînement et peut servir à apprécier celui-ci. Au-delà, le travail ne peut pas être prolongé plus de quelques minutes en raison d'un épuisement rapide (l'organisme augmente continuellement sa dette en oxygène). Il existe donc pour chaque individu une puissance de travail, appelé puissance maximale aérobie qui ne peut être dépassée, sauf pour des temps excessivement courts de l'ordre de la minute.

La consommation en oxygène, exprimée en cm3/minute est de : 

250 : repos

1500 : travail "modéré"

2000 : travail "bien supporté"

2500 : "travail dur"

3000 ou plus : travail "épuisant"

 

2) Les adaptations ventilatoires

Le débit ventilatoire est proportionnel à la consommation d'oxygène consommé par unité de temps, tant que celle-ci ne dépasse pas les 3/4 de la capacité aérobie. Au-délà les échanges deviennent moins efficaces et le débit ventilatoire augmente plus vite que le consommation d'O2. Il peut atteindre 120 à 150 l par minute chez un individu moyennement entraîné et 170 l par minute chez un athlète (contre 6 l/minute au repos).

Cette augmentation a pour origine l'élévation de la fréquence des mouvements ventilatoires : 

12 inspirations/minute au repos

15 pour un travail modéré

16 pour un travail dur bien supporté

20 pour un travail dur

30 ou plus pour un travail épuisant

Mais elle est due également à l'augmentation du volume d'air mobilisé à chaque cycle respiratoire (cf ci-contre). En effet on consta-te que pendant le travail musculaire les inspirations de l'opérateur deviennent plus amples et les expirations plus poussées (ventilation forcée).

Mais ce travail ventilatoire accru est lui-même fatiguant : les muscles de la ventilation consomment d'autant plus d'oxygène qu'ils travaillent plus. Cette consommation s'ajoute à celle qui est due à la tâche accomplie par le sujet ; la consommation d'oxygène par minute ne croît donc pas proportionnellement à la puissance du travail effectué par le sujet, mais plus vite que celle-ci. On comprend que ceci impose une limite au rendement du travail musculaire.

Le volume mobilisé par cycle respiratoire est de :

500 à 600 cm3 au repos (volume courant)

 1800 pour un travail moyen

 2500 pour un travail intense

5000 à 6000 pour le volume maximum mobilisable (capacité vitale)

  

On admet que la fréquence ventilatoire ne doit pas dépasser 18c/min pour qu'un travail soit acceptable (limite de sécurité). La zone ergonomique se situe aux alentours de 14c/min.

Cette adaptation de la ventilation pulmonaire aux besoins est automatique. Elle est déclenchée par la variation de la composition chimique du sang (accroissement de la pression partielle en CO2 et de la concentration d'acide lactique), ainsi que par l'élévation de la température du corps.

Les mouvements musculaires effectués stimulent en outre des récepteurs sensoriels (mécanorécepteurs, propriorécepteurs) qui se trouvent dans les muscles et les articulations . Cette stimulation est le point de départ d'un réflexe qui aboutit à une augmentation du débit ventilatoire. Enfin un effet psychologique inconscient mais réel intervient également. Le simple fait de se concentrer sur la tâche à accomplir peut suffire à modifier le rythme ventilatoire. Ces deux derniers mécanismes expliquent le démarrage très rapide de l'hyperventilation pulmonaire au début du travail. Ils expliquent aussi pourquoi on a intérêt à "s'échauffer" (exercice modéré) avant d'entreprendre un effort important : on stimule ainsi à l'avance la ventilation, ce qui permet de limiter la dette en oxygène du début (cf explications cours 1ère année).

Dès l'arrêt du travail on constate que le rythme ventilatoire décroit plus vite que l'amplitude des mouvements ventilatoires.

 

Les adaptations circulatoires

L'augmentation d'efficacité ventilatoire serait inutile si le sang ne circulait pas plus vite et n'était pas plus abondant dans les muscles (afin d'y apporter plus d'oxygène et d'y éliminer plus de CO2 par unité de temps). En outre le sang apporte le glucose nécessaire à l'énergétique de la contraction musculaire et élimine les déchets, en particulier l'acide lactique dont l'accumulation dans le muscle cause les crampes.

1) Les modifications de rythme et de débit cardiaques

Le signe le plus spectaculaire, et le plus facile à mesurer, est l'accélération du rythme cardiaque et du volume d'éjection systolique. La fréquence cardiaque augmente dès les premières secondes du travail musculaire, puis au bout d'une trentaine de secondes, l'accélération se poursuit bien plus lentement. Lors des exercices modérés effectués à puissance constante la fréquence cardiaque finit par se stabiliser (plateau) ; une observation attentive montre qu'elle continue à augmenter très lentement (voir réflexe de base ).

La fréquence cardiaque stabilisée est proportionnelle pour un individu donné, à la puissance demandée. Toutefois elle ne peut dépasser un maximum qui se situe entre 165 et 195 battements/minute. Cette fréquence maximum est atteinte pour un "travail" de puissance égale à la puissance maximale aérobie . Les facteurs ventilatoires et le facteur cardiaque se conjuguent donc pour imposer une limite à la puissance maximum que l'on peut développer. (voir tableau ci-après)

Puissance du "travail"

Fréquence cardiaque en Rc/mn
Température rectale en °C

Travail très léger

<75
37

Léger

75-100
37-37,5

Modéré

100-125
37,5-38

Dur

125-150
38-38,5

Très dur

150-175
38,5-39

Extrêmement dur

>175
>39

Il faut noter qu'une partie de l'accélération cardiaque est liée à l'élévation de la température du corps. Ceci explique que pour un travail très intense, l'augmentation du rythme cardiaque puisse être continue, surtout si la température extérieure est élevée. (voir tableau ci-dessus)

On admet que la fréquence cardiaque en plateau ne doit pas dépasser, pour rester acceptable,dépasser la valeur de 120 battements/minute (limite de sécurité). La zone ergonomique se situe entre 75 et 90 battements/minute.

Mais le débit cardiaque est influencé non seulement par la fréquence, mais aussi par le volume d'éjection systolique. Pour un individu non entraîné ce volume est de 80 cm3 par battement, en moyenne. Il s'élève au maximum, toujours pour un individu non entraîné, à 105 cm3. Cette valeur est atteinte pour un travail effectué à 50 % de la puissance maximale aérobie. Au-delà, seule l'élévation de la fréquence permet d'augmenter le débit. Lorsqu'on arrive au voisinage de la fréquence maximum le volume d'éjection systolique diminue car le rythme est trop rapide pour que la contraction soit pleinement efficace. Le débit cardiaque maximum est de l'ordre de 21 à 28 l/minute.

Après l'arrêt du travail le rythme cardiaque revient progressivement à la valeur de repos, mais la récupération est plus lente que pour le rythme respiratoire car une partie de l'accélération cardiaque est liée à l'évacuation de la chaleur produite par l'exercice musculaire (voir la notion de pulsations cardiaques thermiques dans le cours d'hygrothermique).

Classification du niveau de travail musculaire (niveaux d'activité)

Dépense énergétique totale ; débit ventilatoire, V ; fréquence respiratoire, fr ; quotient respiratoire, Q.R. ; fréquence cardiaque fc et taux des lactates sanguins, au repos et pour différents niveaux d'activité

(modifié d'après WELLS et Cool. 1957)

Niveau d'activité

dépense énergétique totale
V
fr
Q.R.
fc
Lactates

O2 (ml/min)
(kcal/min)
(l/min)
(c/min)

(Rc/min)
(mg p.100)

Repos

250
1,2
8
12
0,83
70
10

Travail :

Léger

Modéré

 

750

2500

 

3,5

7,5

 

20

35

 

14

15

 

0,85

0,85

 

100

120

 

10

10

Travail dur :

optimal

fatiguant

 

2000

2500

 

10

12,5

 

50

60

 

16

20

 

0,9

0,95

 

140

160

 

15

20

Travail intense

maximal

épuisant

 

3000

>3000

 

15

>15

 

80

120

 

25

30

 

1,00

>1,00

 

180

180

 

50-60

>60

2) Les modifications de la circulation vasculaire

L'activité musculaire entraîne une importante dilatation des artères et des capillaires des muscles en activité, ce qui permet d'augmenter fortement la circulation du sang à leur niveau ainsi que la surface d'échange sang-muscle. Le débit sanguin peut passer de 2,5 - 4 cm3/minute pour 100 g de muscle au repos à 200 cm3/minute pour 100 g de muscle pendant un travail important.

Dès que la force développée par le muscle atteint 50% de sa valeur maximum, la pression qui règne dans la masse musculaire bloque la circulation pendant la phase de contraction. Cet inconvénient devient particulièrement gênant pendant le travail statique. (explication de la gêne posturale).

On constate en effet que le débit sanguin devient nul pour un travail statique entraînant une contraction égale à 70 % de la force maximum du muscle.

Paralellement à vasodilatation des muscles actifs, on observe une vasoconstriction généralisée de l'ensemble des territoi-res non actifs (précédée par una phase transitoire de vasodilatation). Cette vasoconstriction réduit la circulation sangui-ne dans ces régions au profit des muscles en activité.

Un phénomène comparable affecte l'ensemble du système veineux du corps afin de transférer une quantité non négligeable de sang vers les poumons et le réseau artériel. C'est pourquoi les personnes qui ont une déficience de la circulation veineuse sont peu aptes au travail musculaire.

Dans les poumons le débit sanguin augmente car de nombreux capillaires, habituellement fermés, s'ouvrent alors, ce qui augmente l'efficacité des échanges gazeux.

Enfin on observe une vasodilatation générale de la peau, dont le but est de favoriser les mécanismes d'évacuation vers l'extérieur de l'excès de chaleur dégagée par l'activité musculaire (voir documents sur l'astreinte hygrothermique).

En conséquence la pression systolique s'élève et peut atteindre 175 - 180 mm de mercure, la pression de diastolique est peu affectée.

 

Suite

Adaptations à long terme

Effets de l'age sur le travail musculaire