La tête et les membres
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 4334Effet 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 ?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 ).