Athlétisme : Indicateurs de fatigue, forme et charges d’entraînement

Cet article fait référence à l’introduction du mémoire de Master 2 Entrainement et Optimisation de la Performance Sportive de Joseph SALAS réalisé à l’Université de Montpellier (2021/2022) sous la direction de Stéphane PERREY

Titre du mémoire : Relations entre des indicateurs objectifs de la fatigue, l’état de forme subjectif et les charges d’entraînement en athlétisme

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Les activités de tous types induisent chez l’homme de la fatigue ; cette dernière pouvant être d’origine physique et/ou mentale.

La fatigue physique est produite au cours d’un exercice musculaire (Barry et Enoka 2007) tandis que la fatigue mentale est davantage associée à des efforts cognitifs (Marcora, Staiano, et Manning 2009).

La fatigue physique selon une composante neuromusculaire se définit comme une réduction réversible, induite par l’exercice, de la capacité du muscle à produire une force ou une puissance, que la tâche motrice puisse être maintenue ou non (Barry et Enoka 2007).

Paradoxalement, la fatigue est indispensable à la performance. En effet, elle est essentielle pendant le processus d’entraînement puisqu’elle permet d’obtenir des adaptations via le principe de surcompensation (Fry et Kraemer 1997).

Par ailleurs, il est important de la contrôler durant la préparation physique puisqu’elle peut mener à des situations de surentraînement (Fry et Kraemer 1997) ou à la survenue de blessures (Jones, Griffiths, et Mellalieu 2017).

Pour résoudre cette problématique, de nombreuses méthodes de quantification de la « charge » d’entraînement ont été développées dans le but de mesurer via différents indicateurs les séances d’entraînement réalisées par les sportifs et leurs réponses adaptatives (Banister 1990; Foster et al. 2001; García-Ramos et al. 2015).

Les méthodes de mesure de la « charge » d’entraînement peuvent se caractériser par des indicateurs externes et des indicateurs internes.

La « charge » externe correspond à une mesure objective de la séance d’entraînement que l’athlète réalise durant son entraînement ou sa compétition via différentes métriques biomécaniques (e.g. distance, puissance, allure, vitesse, accélération, hauteur de saut) alors que la « charge » interne correspond aux caractéristiques intrinsèques à l’athlète, telles que ses réponses physiologiques (e.g. fréquence cardiaque, lactatémie, échanges gazeux) ou subjectives (e.g. la perception de la difficulté ou de l’effort, RPE).

Cependant, ces indicateurs demeurent imparfaits (Sedeaud et al. 2020). En effet, les caractéristiques des séances d’entraînement sont facilement mesurables dans des sports d’endurance ou de force en raison du nombre plus restreint d’actions motrices effectuées dans ces derniers.

Mais dès lors qu’une variété importante de gestes sont effectués dans l’activité, le choix des indicateurs des charges externes et internes devient beaucoup plus compliqué à réaliser.

La limite principale des méthodes de quantification de la charge d’entraînement réside notamment dans leur incapacité à prendre en compte l’état de forme global de l’athlète.

En effet, plusieurs athlètes ne réagiront pas de la même manière à une séance d’entraînement donnée et d’autres facteurs indépendants de l’activité physique pourront affecter leurs états de forme (e.g. facteurs socio-professionnels).

Pour avoir accès à l’état de forme physique de l’athlète, une des solutions peut être de mesurer la fatigue neuromusculaire in-vivo.

Pour cela, il semble important de comprendre les mécanismes neurophysiologiques qui en sont responsables. Le modèle explicatif de la fatigue neuromusculaire utilisé fréquemment dans la littérature distingue deux composantes de la fatigue : la composante périphérique et la composante centrale.

Étant donné qu’il existe une interaction mutuelle entre les deux composantes, la dichotomie entre fatigue centrale et périphérique n’est plus particulièrement adaptée et devrait être abandonnée.

Duchateau et Enoka (2016) ont proposé une autre taxonomie pour définir la fatigue, arguant que cette dernière n’est quantifiable que subjectivement par l’individu.

D’après eux, la fatigue est un symptôme qui limite les fonctions physiques et cognitives se traduisant par une fatigabilité fonctionnelle (e.g. diminution de la force maximale volontaire ou de la durée de maintien d’une tâche à intensité constante) et/ou une fatigabilité subjective (e.g. informations sensorielles quant à la baisse de sa propre performance, douleur ressentie).

Ce nouveau modèle met donc en avant une multitude de causes de la fatigue, notamment des facteurs nerveux (i.e., activation neuromusculaire) et musculaires (i.e., contractiles et métaboliques).

Le système nerveux somatique comprend les centres corticaux (composante supraspinale) et spinaux qui envoient des efférences vers les muscles locomoteurs via les nerfs périphériques, et intègrent les afférences envoyées par ces derniers.

Ainsi, la perte de force maximale volontaire peut être due à plusieurs facteurs :

• une baisse de la fréquence de décharge des unités motrices, voire moins d’unités motrices recrutées pour une commande supraspinale donnée (Enoka et Stuart, 1992)
• une moindre excitabilité motoneuronale peut être due entre autres à une inhibition des afférences au niveau présynaptique ou une altération des propriétés des motoneurones
• une baisse de l’excitabilité des réseaux corticaux moteurs induite par une chute de la facilitation intra-corticale et/ou une augmentation de l’inhibition intra-corticale, qui in fine pourrait moduler les potentiels d’action à destination des motoneurones (Taylor et Gandevia 2008).

Les mécanismes périphériques potentiels expliquant la baisse de la force musculaire incluent une diminution de l’excitabilité du sarcolemme générant moins de potentiels d’actions vers le muscle (Enoka et Stuart, 1992), une altération du couplage excitation-contraction, souvent causée par une diminution de la concentration de calcium par le réticulum sarcoplasmique ou de l’affinité entre le calcium et la troponine C (Warren et al., 2001).

En outre, l’exercice provoque en périphérie des perturbations métaboliques telles que l’accumulation d’ions hydrogènes, de phosphate inorganique, ou encore une déplétion des stocks de phosphocréatine et de glycogène musculaire.

A l’exercice, l’augmentation de l’utilisation des substrats énergétiques (e.g., adénosine tri phosphate, phosphocréatine, glucose, glycogène…) par les filières métaboliques peut entrainer une crise énergétique au niveau des fibres musculaires et peut provoquer au sein de ces dernières une augmentation des substances délétères à la contraction musculaire (e.g., phosphate inorganique, ions hydrogène…).

Ce type de perturbation est néanmoins réversible en quelques heures puisque le corps humain régénère rapidement ces stocks en substrats énergétiques via l’alimentation et le repos (Williams et Rollo 2015).

Après un exercice épuisant, la réduction de la réponse de force lors de contractions évoquées à haute fréquence (80 – 100 Hz) serait le témoin d’une altération de l’excitabilité membranaire (Fuglevand et al. 1993) : c’est la fatigue haute fréquence (HFF).

Elle est due notamment à une accumulation d’ions potassium (K+) dans l’espace extra-cellulaire du muscle, qui limite la bonne conduction du potentiel d’action le long du sarcolemme (Jones 1996).

L’accumulation de K+ peut aller jusqu’à empêcher la propagation de l’influx nerveux au sein des tubules T et du réticulum sarcoplasmique, ce qui a pour effet de diminuer le largage de calcium (Ca2+) essentiel à la contraction musculaire (Westerblad et al. 1990).

Même s’il existe une réduction de force en réponse à des hautes fréquences de stimulation, l’amplitude de diminution de force évoquée reste plus marquée à des faibles fréquences (Edwards et al. 1977).

Ce type de fatigue s’appelle la fatigue basse fréquence (LFF). Le temps pour récupérer la force dans un contexte de fatigue basse fréquence est long (i.e., plusieurs heures à plusieurs jours) (Keeton et Binder-Macleod 2006).

Il est communément accepté que la réduction de la réponse de force lors de contractions évoquées à basse fréquence (10 – 20 Hz) provient d’une diminution du largage de Ca2+ dans la fibre musculaire par le réticulum sarcoplasmique (Edwards et al. 1977).

Pour comprendre d’où provient la différence d’amplitude de diminution de force entre les hautes et les basses fréquences de stimulation, il est d’intérêt d’observer la relation entre la tension développée et la fréquence de stimulation associée.

La courbe de cette relation est de forme sigmoïde (Jones 1996). Une chute de la disponibilité en Ca2+ entraîne un décalage vers la droite de cette dernière (i.e., pour produire une même force, il sera nécessaire de stimuler le muscle à une fréquence plus élevée).

Étant donné que la courbe de la relation force-fréquence est de forme sigmoïde, la tension développée à des hautes fréquences de stimulation sera beaucoup moins affectée par l’exercice fatiguant que celle développée à des basses fréquences.

Partant de ce constat, Edwards et al. (1977) ont proposé l’utilisation d’un « low to high frequency ratio » (LHFR) mesuré lors de deux stimulations électriques rapprochées à même intensité.

Une baisse du ratio entre la réponse à une double stimulation à 10-20 Hz puis 80 Hz reflète une moindre efficacité musculaire à basse fréquence et témoigne donc d’une LFF (Millet et al. 2011).

Dans ce contexte, ce ratio pourrait être utilisé pour mesurer l’impact d’une séance sur la possible altération de la fonction neuromusculaire ou tout simplement être quantifié tout au long d’une saison sportive pour apprécier la dynamique des déterminants périphériques de la fatigabilité fonctionnelle.

Pour détecter la fatigue musculaire, il est possible de réaliser des mesures objectives ou subjectives.

Les mesures objectives de la fatigue utilisées en entraînement résident notamment dans la comparaison entre la force développée sur une durée déterminée de manière volontaire, ou évoquée (e.g., à l’aide de l’électrostimulation).

La mesure de la fatigue musculaire via l’appréciation de la performance à l’entraînement peut être réalisée de manière directe ou indirecte, à l’aide de différents outils et indicateurs : que ce soit la puissance développée à vélo (Capostagno, Lambert, et Lamberts 2016), la force développée à l’aide d’un dynamomètre (Trosclair et al. 2011), ou la hauteur de saut sur un squat jump (Sams et al. 2018).

Parmi les méthodes expérimentales utilisées pour apprécier la fonction neuromusculaire post-exercice, on peut indiquer l’utilisation de la stimulation électrique percutanée du nerf moteur (simple, double ou trains) pour évoquer un potentiel musculaire résultant de la somme des potentiels des unités motrices et déclencher une réponse de force appelée secousse musculaire.

Comme évoqué précédemment, différentes fréquences de stimulation sont utilisées dans le but de distinguer les différents mécanismes périphériques intervenant à basses ou hautes fréquences de stimulation (Edwards, 1977).

En ce qui concerne la mesure subjective de l’état de forme, cette dernière est réalisée grâce à des questionnaires (e.g., Wellness) relatifs à la fatigue perçue, la qualité/quantité du sommeil, au stress, aux émotions ou à l’humeur, ce qui permet de se rapprocher au plus près du ressenti du sportif (Franceschi et al. 2020; McLean et al. 2010).

Elle est également plus sensible et cohérente avec les charges d’entraînement mesurées (Saw, Main, et Gastin 2016), la littérature s’accordant sur l’intérêt d’utiliser ce type de mesure en comparaison aux outils d’appréciation objectifs de la fatigue et de l’état de forme (Enoka et Duchateau 2016; Franceschi et al. 2020).

Récemment, un dispositif de mesure de la fatigue par électromyostimulation se basant sur le principe de fatigue basse fréquence a été industrialisé par la société Myocène.

L’objectif de ce système est de rendre accessible la mesure de la fatigue neuromusculaire d’une manière rapide (2 minutes), facile, et sans intervention volontaire de l’individu.

Le LHFR est l’unique indicateur mesuré par le Myocène : une baisse de ce dernier devrait être associé à une fatigue alors qu’une augmentation de ce paramètre correspondrait plutôt à une bonne récupération.

A ce jour, la méthode de référence pour induire des contractions musculaires évoquées est la neuro-stimulation (NES). La technologie du Myocène est basée sur un principe analogue : l’électrostimulation transcutanée (ES).

Néanmoins, plusieurs auteurs rapportent des limites à l’utilisation de cette dernière. La principale limite de l’ES réside dans une activation variable du muscle avec des forces développées se situant entre 33 et 75 % de la contraction maximale volontaire (Martin et al. 2004).

En effet, l’ES provoque une contraction musculaire via des électrodes placées sur la peau, ce qui a pour effet de solliciter préférentiellement des fibres musculaires se situant proches de l’électrode.

Au contraire, la NES permet une activation quasi-maximale du muscle (Millet et al. 2003) puisqu’elle sollicite les chefs musculaires via leur nerf moteur.

Malgré tout, Martin et al. (2004) ont montré que le décrément relatif du LHFR mesuré après un exercice n’était pas significativement différent entre les deux méthodes et ont conclu que le LHFR pouvait être mesuré de manière adaptée avec l’ES.

A notre connaissance, le Myocène est le seul dispositif industrialisé à ce jour permettant de mesurer la fatigue neuromusculaire à l’aide du concept de basses et hautes fréquences.

A ce jour, aucune étude n’a été réalisée tout au long d’une saison sportive afin de mettre en relation les déterminants périphériques de la fatigue musculaire mesurée grâce au Myocène avec les charges d’entraînement sur plusieurs macrocycles et des indicateurs objectifs et subjectifs de l’état de forme et de la fatigue.

C’est pourquoi l’objectif de notre travail était d’observer les relations entre le LHFR obtenu grâce au Myocène, les charges d’entraînement, l’état de forme subjectif et la hauteur de saut sur squat jump sur 3 mois d’entraînement chez un décathlète et un pratiquant de 400 m haies.

Les déterminants de la fatigue musculaire sur le 400 m haies et le décathlon sont différents. En effet, dans des disciplines athlétiques type sprint court et long (e.g. 400 m haies), la fatigue du membre inférieur provient essentiellement de facteurs périphériques, que ce soit pour les extenseurs du genou (Goodall et al. 2015; Tomazin et al. 2012) ou les fléchisseurs plantaires (Perrey et al. 2010).

Dès lors que les sprints sont amenés à être répétés (e.g. en situation d’entraînement), la contribution centrale de la fatigue neuromusculaire va augmenter (Monks et al. 2017).

En décathlon les disciplines explosives sont dominantes (lancers, sprints, sauts) mais l’implication du métabolisme aérobie est non négligeable (e.g. 400 m, 1500 m).

L’origine de la fatigue sera donc plus difficile à caractériser en décathlon. De plus, le membre supérieur est impliqué dans 4 des 10 disciplines du décathlon.

La variabilité de l’origine de la fatigue et l’implication du membre supérieur en décathlon peuvent donc venir entraver la mesure du Myocène qui évalue avant tout une fatigue d’origine périphérique sur le membre inférieur (quadriceps).

Enfin, l’utilisation du test squat jump (SJ) comme outil de mesure objective de l’état de forme physique permet au même titre que le Myocène, de cibler la composante périphérique de la fatigue musculaire. Effectivement, ce type de test permet d’apprécier les caractéristiques contractiles des muscles extenseurs du membre inférieur (Bosco, Mognoni, et Luhtanen 1983).

Sur la base des éléments présentés précédemment nous avons formulé les hypothèses suivantes : (i) le LHFR, la hauteur de saut sur SJ et le score Wellness présenteront une bonne relation avec les charges d’entraînement (ii) le LHFR sera positivement corrélé avec l’état de forme subjectif des athlètes et la hauteur des SJ au cours d’un macrocycle d’entraînement.

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