Cocoa flavanols, exercise and the brain

par Lieselot Decroix

Thèse de doctorat en Sciences et techniques des activités physiques et sportives

Sous la direction de Elsa Heyman et de Romain Meeusen.

Soutenue le 31-08-2018

à Lille 2 , dans le cadre de École doctorale Biologie-Santé (Lille) , en partenariat avec Unité de recherche pluridisciplinaire Sport, Santé, Société (laboratoire) et de Unité de Recherche Pluridisciplinaire Sport, Santé, Société (URePSSS) - EA 7369 (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Les flavanols de cacao, l'exercice et le cerveau


  • Résumé

    Les athlètes utilisent les suppléments nutritionnels avec pour objectif d'améliorer leur performance sportive. La performance sportive dépend de facteurs physiques, mais également de facteurs cognitifs. Les suppléments nutritionnels riches en flavanols issu du cacao (CF) peuvent stimuler la fonction vasculaire, réduire le stress oxydant et améliorer la fonction cognitive. L'objectif de cette thèse est donc d’analyser les effets d'une consommation aigue, ou pendant une semaine, de CF, sur la performance physique et cognitive chez des athlètes, chez des sujets actifs et chez des personnes ayant un diabète de type 1 (DT1). De plus, l’objectif est d’investiguer les effets des CF en altitude simulé, où l’hypoxie limite la performance cognitive et physique.La consommation aigue de 900 mg CF (dont 196 mg d'épicatéchine) suscite une augmentation de l’oxygénation cérébrale, mais pas de la concentration de BDNF sérique et n'a pas d’effet sur la fonction cognitive chez des sportifs sains. L’effet bénéfique des CF sur l’oxygénation cérébrale au repos est dépassé par l’ampleur de l’augmentation de la perfusion et de l’oxygénation cérébrale à l’exercice physique et n'est donc plus visible en post-exercice.En hypoxie (altitude simulée de 4000 m), la consommation aigue de 530 mg CF (dont 100 mg d'épicatéchine) augmente la réponse hémodynamique du cortex préfrontal durant une tâche cognitive, mais n’affecte pas l’activité neuronale. Les CF améliorent la pensée abstraite en normoxie, mais n’améliorent aucun autre domaine des fonctions cognitives. Seule la précision lors du test de Stroop est diminuée par l’hypoxie. De plus, la réponse hémodynamique du cortex préfrontale et l’activité neuronale ne diffèrent pas en hypoxie vs. en normoxie.Le diabète de type 1 (DT1) est associé avec une dysfonction endothéliale, qui constitue un des facteurs de déclin cognitif lié au diabète. Dans une 3ième étude, la fonction cognitive n’est pas altérée chez les patients DT1, en comparaison des sujets sains, alors que l'activation cérébrale diffère entre ces 2 groupes. Cette différence d'activation cérébrale pourrait alors jouer un rôle compensatoire chez les patients DT1. La consommation aigue de CF peut améliorer les fonctions exécutives chez des patients DT1 et des sujets sains, et peut augmenter le signal BOLD dans les régions du cerveau activées par les tâches cognitives.Ainsi, la consommation aigue de CF augmente la vasoréactivité cérébrale. Ces changements sont associés avec une meilleure fonction cognitive chez des patients DT1, alors que ce n’est pas le cas chez des sujets entraînés, ni au niveau de la mer, ni en hypoxie. Malgré ces effets bénéfiques des CF, l’exercice physique semble rester un moyen beaucoup plus efficace pour stimuler la vasoreactivité cérébrale et les fonctions cognitives.Nous nous sommes aussi intéressés aux effets de CF sur la capacité antioxydante, le stress oxydant et la production de NO pendant l’exercice, ainsi que sur les implications pour la performance physique et la récupération, chez des athlètes. La consommation aigue de 903 mg CF augmente la capacité antioxydante au repos et pendant l’exercice, mais sans réduire le stress oxydant et la production de NO. La consommation pendant une semaine de 530 mg CF (dont 100 mg d'épicatéchine) atténue la peroxydation lipidique induite par l’exercice, mais n’influence pas la capacité antioxydante. Les CF ne modifient pas la production et la biodisponibilité du NO pendant un exercice en normoxie et en hypoxie (altitude simulée de 3000 m). La consommation de CF pendant une semaine peut augmenter la fonction endothéliale de repos, et peut réduire les effets nuisibles de l'hypoxie sur l’oxygénation préfrontale au repos et pendant l’exercice modéré. Par contre, cet effet disparait pendant l’exercice intense. La consommation aigue, et pendant une semaine, de CF n’augmente pas la performance physique, ni en normoxie, ni en hypoxie.


  • Résumé

    Sports performance depends on physical factors, but also on cognitive functioning. Nutritional supplements as potential ergogenic aids can impact muscle, but also the brain. Cocoa flavanols (CF) have antioxidant capacities, can stimulate vascular function, and potentially enhance cognitive function. CF intake might thus improve exercise performance and recovery by reducing oxidative stress, increasing NO availability and/or boosting cognitive function. It is the purpose of this PhD to identify the effects of CF on physical and cognitive performance in healthy athletes at sea level and altitude, as well as in patients with type 1 diabetes. Our systematic review showed that CF can reduce exercise-induced oxidative stress, but without improving exercise performance. Combining CF intake and exercise training improves cardiovascular risk factors and vascular function in healthy and overweight participants, but evidence on the synergistic effects of CF and exercise training on oxidative stress, inflammation and fat and glucose metabolism is lacking.In a randomized, placebo-controlled, double blind cross-over study, we showed that 900 mg CF intake increased prefrontal oxygenation in athletes, but without affecting executive function. BDNF was not affected by CF intake. The effects of high-intensity exercise largely overruled the effects of CF intake: large beneficial effects of exercise on prefrontal oxygenation and cognitive function were observed and CF supplementation did not enlarge these effects. In a 2nd study, the effect of acute CF intake (530 mg CF) on performance on a demanding cognitive test was assessed in normoxia and hypoxia (simulated altitude 4000 m). Electroencephalogram and fNIRS were used to analyse neuronal activity and hemodynamic changes. Acute CF intake improved the neurovascular response, but did not affect neuronal activity and cognitive performance in normoxia and hypoxia. Most cognitive functions, the cerebrovascular response and neuronal activity, were not altered in hypoxia in healthy subjects. In a 3rd study, we found that acute intake of 900 mg CF enhanced cognitive performance on the Flanker test in patients with type 1 diabetes, and their healthy matched controls. CF intake increased the BOLD response in brain areas activated during this specific task. While cognitive performance was not deteriorated in patients with type 1 diabetes, a different brain activation pattern during the cognitive task was observed, compared to healthy controls and this brain activation pattern was altered by CF intake. To conclude, acute CF intake improves prefrontal oxygenation and cerebrovascular responsiveness. This can be associated with better cognitive function in patients with type 1 diabetes, but does not result in improved executive function in healthy persons. Compared to exercise, the magnitude of the CF-induced neurovascular changes is small.Two studies were conducted examining the effects of CF on exercise-induced oxidative stress, NO availability and its implications for exercise performance, in well-trained cyclists. We found that acute CF (900 mg) improved the exercise-induced increase in total antioxidant capacity, but did not reduce the exercise-induced increase in lipid peroxidation. One week CF intake (530 mg CF) improved vascular function at rest, and prefrontal oxygenation at rest and during low-intensity exercise, but did not influence muscular oxygenation. One week CF intake partially restored the hypoxia-induced decline in prefrontal oxygenation during rest and low-intensity exercise, but not during high-intensity exercise. One week CF intake reduced exercise-induced lipid peroxidation, but did not alter total antioxidant capacity. Both acute and 1-week CF intake did not improve exercise performance and recovery and do not change NO production during exercise (in normoxia and hypoxia) in well-trained athletes.


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