La tête et les membres

Thibault DESCHAMPS, Maître de conférences, chercheur au laboratoire « Motricité, interactions, performance » (Université de Nantes)

La réalisation d’un mouvement, même simple d’apparence (saisir une tasse de café, se tenir en équilibre...), sollicite de nombreux muscles, articulations et récepteurs sensoriels cutanés, articulaires, musculaires ou vestibulaires (de l’oreille interne) qui transmettent divers signaux au système nerveux central.

L’organisation de ces éléments et phénomènes, connue seulement de façon très partielle, varie selon les individus et avec le vieillissement. Nous l’étudions afin de mieux comprendre la qualité et la variabilité des mouvements en situation stressante (comme se tenir en équilibre sur une plate-forme placée en hauteur) ou lors de l’apparition d’une fatigue musculaire, grâce à des expériences réalisées avec des sujets volontaires.

Par exemple, nous avons observé le changement, avec la fatigue, de l’activité électrique des muscles des membres supérieurs lors d’un exercice de déplacement manuel périodique (oscillation latérale) d’un joystick. L’originalité de l’étude résidait dans la mesure conjointe du niveau de mobilisation de l’attention (nommée couramment concentration) pendant la tâche motrice, le sujet devant, en plus de manipuler le joystick, effectuer un geste du pied à chaque signal sonore livré de façon aléatoire. Entre autres expériences, nous avons aussi observé la coordination des deux mains devant faire varier identiquement l’inclinaison de deux joysticks indépendants et mesuré l’écart entre les deux inclinaisons ; l’ampleur moyenne de l’écart donne un indice de la performance de coordination motrice.

Ces travaux mettent en évidence l’existence de relations complexes entre les processus de contrôle de la motricité, la fatigue musculaire et la capacité attentionnelle, tandis que le fonctionnement normal du système neuromusculaire a longtemps été décrit comme un système de réponses comportementales relativement simple. Elles éclairent la façon dont les capacités sensorimotrices sont amoindries par des pathologies (arythmie cardiaque, maladie de Huntington...) ou par le vieillissement. Par exemple, nous avons mesuré la variabilité de la durée du cycle de marche chez des personnes âgées qui devaient, tout en marchant, réaliser une tâche de calcul mental. Lorsque de cette durée change, le risque de chute tend à croître. Une prévention des chutes chez des personnes fragiles peut donc consister à effectuer un entraînement physique adapté, tel qu’un renforcement de coordinations musculaires, dont les effets opposés au déclin de performance lié à l’âge sont aujourd’hui bien documentés.

Cette recherche participe aussi à la révision du caractère a priori néfaste de l’instabilité des performances motrices chez les personnes âgées : cette variabilité pourrait correspondre, dans certains cas, à une faculté d’adaptation à des situations stressantes. À titre d’illustration, les battements cardiaques de personnes ayant eu un infarctus du myocarde sont souvent plus réguliers que ceux des sujets sains ; c’est peut-être parce qu’ils étaient devenus « trop réguliers » que la capacité d’adaptation de leurs coeurs au stress ou à la fatigue a été réduite de façon propice à la survenue de l’infarctus. Certaines marques de « sénilité motrice » pourraient ainsi avoir des vertus insoupçonnées !

Effet d’un entraînement pliométrique des muscles gastrocnémiens

© MIP – EA 4334

Effet de 14 semaines d’entraînement pliométrique (cycles d’étirement et de raccourcissement du système musculo-tendineux) sur la raideur musculaire (SISEC1) des muscles du mollet et la raideur tendineuse (SSEC2 - tendon d’Achille) caractérisées chez 19 sujets (9 entraînés et 10 non entraînés qui constituent un groupe contrôle pour éviter les biais d’expérience).

Pour le groupe entraîné, une diminution significative de 10,4% de la raideur musculaire (SISEC1 ) (fig. 5-A) et une augmentation significative de la raideur tendineuse (SSEC2) de 13,2% sont observées après l’entraînement. Pour le groupe contrôle, aucune modification significative n’est observée entre les résultats des tests réalisés sur la même période.

Les adaptations observées pour le groupe entraîné permette de comprendre, au moins partiellement, le gain de performance en terme de détente associé à ce type d’entraînement : la diminution de la raideur musculaire permet un plus grand stockage de l’énergie élastique par le muscle (qui est moins raide) alors que l’augmentation de la raideur du tendon permet d’envisager une meilleure transmission de la force générée par les muscle au squelette pour produire le mouvement.

DOSSIER
Le corps sous pressions

Améliorer les performances physiques

Plus fort, plus longtemps

Quel est « le secret de la victoire » en aviron ou en saut en hauteur ? Comment contrecarrer la fatigue ou une dégradation musculaire ?
par Christophe CORNU, Maître de conférences à l’Université de Nantes, directeur du laboratoire MIP, « Motricité, interactions, performance » (universités de Nantes et du Maine). www.univ-nantes.fr/staps/EA-MIP

Afin d’optimiser les gestes sportifs, les apprentissages et les entraînements des athlètes peuvent bénéficier des recherches en sciences des sports sur le fonctionnement du système neuromusculaire (nerfs, muscles et tendons) et sur les facteurs déterminants de la « performance motrice ».

Prévenir la fatigue
Un effort musculaire ou « tâche motrice » résulte de la mise en jeu de différentes stratégies de régulation : la commande nerveuse d’un muscle peut être intensifiée pour augmenter le niveau de contraction ; d’autres commandes peuvent diminuer celui de muscles capables de s’opposer au mouvement visé ou limiter un processus de fatigue en organisant un roulement dans la sollicitation de plusieurs muscles. Ces mécanismes sont explorés par des mesures de l’activité électrique des muscles (électromyographie) dans des conditions réelles de pratique.

Nous avons ainsi étudié les stratégies de coordination musculaire chez des sportifs de bon ou de haut niveau (cyclistes, régatiers, rameurs...) pour mieux comprendre l’organisation du mouvement chez ces athlètes1. Nous avons notamment mis en évidence une adaptation de coordinations au cours d’un exercice de pédalage fatigant ou lorsque le cycliste adopte une position de contre-la-montre. La recherche sur ces processus adaptatifs est relativement nouvelle ; les connaissances qui en émergent devraient servir à améliorer certains entraînements, par exemple pour renforcer un muscle responsable de la survenue de la fatigue.

Augmenter la force et la puissance

Les muscles et les tendons ont différentes propriétés qui leur permettent de produire une force plus ou moins importante, plus ou moins rapidement. Ces propriétés dépendent de caractéristiques structurelles (organisation, volume et longueur des fibres) et mécaniques comme l’élasticité, assimilable à la raideur d’un ressort. En simplifiant, plus une structure est raide, moins elle stocke d’énergie lorsqu’elle est étirée, mais plus grande est sa capacité à transmettre efficacement la force musculaire et donc à produire un mouvement rapidement. Ces propriétés peuvent être déterminées en laboratoire grâce, entre autres moyens, à l’échographie (qui permet de visualiser les fibres musculaires et les tendons, de mesurer certaines de leurs dimensions et de caractériser en partie leur comportement mécanique) couplée à l’emploi d’un dynamomètre, qui évalue les forces produites au cours de l’effort. Nous étudions la façon dont ces propriétés sont modifiées par différentes pratiques sportives ou par différents types d’entraînement : pliométriques (série d’exercices de détente), excentriques (étirement d’un muscle contracté), isométriques (effort sans mouvement), etc. Nous avons par exemple montré que l’entraînement excentrique isotonique (où la vitesse d’exécution varie tandis que la force ou « charge » d’étirement reste fixe) est plus efficace que l’entraînement excentrique isocinétique (à vitesse constante et à charge variable) pour augmenter le volume musculaire et les capacités de production de force. Le premier semble donc plus intéressant pour la préparation des athlètes que le second, qui offre par contre des conditions de sécurité meilleures donc plus adaptées à la rééducation fonctionnelle.

Ces connaissances et celle des variations du temps de réponse entre la commande nerveuse et la contraction (délai électromécanique) seront bientôt mobilisées dans des études portant sur des pathologies neuromusculaires (les myopathies, principalement) et l’impact de nouveaux traitements thérapeutiques2

La performance en modèles

Une autre originalité de ces travaux porte sur le développement de modèles musculo-tendineux dans lesquels des groupes de muscles et de tendons sont caractérisés en particulier par leurs raideurs respectives. Ces modèles permettent de simuler le comportement mécanique de ces muscles et tendons. Les simulations sont confrontées à des données d’expériences menées en laboratoire avec des volontaires afin de mieux décrire ou de prédire les effets, sur les performances, d’un entraînement, d’une inactivité prolongée, d’une fatigue, d’une pathologie, etc. Il s’agit notamment de distinguer, dans ces différentes situations, la part d’adaptation due aux muscles et celle qui est due aux tendons. Il s’agit aussi de mieux comprendre les contributions respectives à la performance globale de différents muscles appartenant à un même groupe musculaire (qui participent ou s’opposent à un mouvement donné).

Dans ce cadre, nous avons par exemple montré que l’entraînement pliométrique induit à la fois une diminution de la raideur musculaire, qui permet au muscle de stocker davantage d’énergie, et une augmentation de la raideur tendineuse, qui permet de mieux transmettre la force produite ; c’est pourquoi il peut permettre d’améliorer « l’explosivité » des athlètes, et notamment la performance en saut.

D’une façon générale, ces modèles sont encore simples et appliqués à un petit nombre de muscles et de tendons. Leur amélioration et leur extension à des cas plus complexes devraient déboucher sur de nouveaux outils de prédiction du comportement du système neuromusculaire soumis à différentes contraintes, par exemple pour prévoir la capacité d’un individu à produire un effort prolongé et éviter ainsi de mener des tests jusqu’à l’épuisement, surtout chez des sujets atteints de pathologies neuromusculaires. Ils permettront de guider plus rationnellement les choix des acteurs sportifs ou médicaux dans la préparation ou la réparation du système neuromusculaire.

1. étude menée dans le cadre du projet « Optimisation de la performance et interactions homme-machine en sport automobile et en aviron » soutenu par la Région Pays de la Loire

2. étude financée par l'Association française contre les myopathies
Projets AFM :

• Characterization of the electromechanical delay by using ultrafast echographic imaging of in vivo muscle-tendon unit. Financement AFM (2009 - 2010), contrat n° 14084

• Characterization of muscle and tendon mechanical and geometrical properties by local and integrated methods in a non invasive way. Financement AFM (2009 - 2010), contrat n° 13923

Modèle musculo-tendineux du mollet. Ce modèle simplifié est constitué d’un tendon, caractérisé par sa raideur RT , et des muscles gastrocnémiens et soléaire, caractérisés par leurs raideurs respectives RG et RS et générateurs d'une force globale F (résultante des forces FG et FS ).

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