Conséquences physiologiques de la limitation du système respiratoire chez le master athlète, approches par expériences et modèles

Physiological consequences of respiratory system limitation in the master athlete, approaches through experiments and models

• Auteur / Autrice : Valentin Mons
• Direction : Benjamin Mauroy, Grégory Blain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques
• Date : Soutenance le 11/12/2023
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire J.-A. Dieudonné (Nice) - Laboratoire Motricité Humaine, Expertise, Sport, Santé (LAMHESS) (Nice, Alpes-Maritimes ; Marseille, Bouches-du-Rhône ; Toulon, Var)
• Jury : Président / Présidente : Romuald Lepers
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benjamin Mauroy, Grégory Blain, Romuald Lepers, Samuel Vergès, Aurélien Pichon, Mathieu Gruet, Yannick Privat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Samuel Vergès, Aurélien Pichon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Appareil respiratoire

Sportifs de haut niveau

Courbe débit-volume

Mots clés libres

Système respiratoire

Limitation de débit expiratoire

Fatigue neuromusculaire

Modélisation mathématique

Master athlète

Respiratory system

Expiratory flow limitation

Neuromuscular fatigue

Mathematical modeling

Master athlete

Résumé

Le système respiratoire sain est généralement surdimensionné par rapport à la demande imposée lors d'un exercice physique. Toutefois, les poumons s'adaptent peu à l'entraînement en endurance. Lors d'exercices réalisés à haute intensité, le système respiratoire des athlètes pourrait donc ne plus être surdimensionné face à une demande ventilatoire aussi élevée. Cela pourrait être accentué avec les altérations de la structure des poumons et de la fonction des muscles respiratoires liées à l'âge. Les personnes âgées entraînées en endurance, appelées master athlètes (> 60 ans), pourraient donc être particulièrement vulnérables aux limitations respiratoires pendant l'exercice. Cela nous amène à la question centrale : comment le système respiratoire limite-t-il l'exercice chez le master athlète ? Pour y répondre, une approche multidisciplinaire a été mise en œuvre combinant des mesures physiologiques avec une modélisation mathématique.Nous avons d'abord étudié la limitation de débit expiratoire chez les athlètes jeunes et âgés, hommes et femmes. La limitation de débit expiratoire a été mesurée lors d'un test incrémental sur ergocycle en positionnant la boucle débit volume courant dans la courbe débit volume expiratoire maximale. Nous avons constaté que les master athlètes étaient davantage sujets à la limitation de débit et que cela était associé à la convexité de la courbe débit volume expiratoire maximale. Chez un plus grand groupe de master athlètes hommes, la forme de cette courbe était un déterminant majeur de la sévérité de la limitation de débit expiratoire. Ces résultats mettent en avant l'importance de prendre en compte le débit expiratoire et les caractéristiques des voies aériennes pour mieux comprendre les contraintes ventilatoires du master athlète.L'objectif suivant était donc d'étudier les mécanismes physiques sous-jacents. Pour cela, nous avons analysé l'effet de la densité et de la viscosité du gaz avec l'utilisation d'héliox. Des principes de mécanique des fluides et des simulations de débits expiratoires dans un modèle d'arbre bronchique compliant ont été combinés avec des mesures expérimentales. Nos résultats détaillent le pattern du débit à travers les générations bronchiques avec de l'air et de l'heliox et indiquent où la laminarité et les turbulences apparaissent. L'heliox augmente le débit expiratoire, surtout quand les effets d'inertie sont dominants, et l'effet de l'héliox pourrait être amplifié chez les master athlètes en raison de leurs bronches âgées et donc plus étroites.Les contraintes ventilatoires accroissent également la demande sur les muscles respiratoires. Dans une troisième étape, nous avons étudié l'effet du vieillissement sur l'interaction entre la fatigue musculaire respiratoire et locomotrice. Lors d'une tâche inspiratoire fatigante, la pression artérielle moyenne et les résistances vasculaires périphériques des master athlètes ont augmenté davantage que chez les jeunes athlètes. Durant l'exercice sur ergocycle qui a suivi l'activation musculaire des quadriceps était réduite, entraînant une diminution du temps réalisé par rapport au même exercice effectué sans fatigue inspiratoire préalable. Cette chute de performance était amplifiée chez les master athlètes. Lorsque le même exercice a été effectué à temps égal, mais sans fatigue inspiratoire préalable, moins de fatigue a été observée au niveau des quadriceps, suggérant que la fatigue inspiratoire accélère la fatigue des quadriceps et ce, de manière amplifiée chez les master athlètes. En étudiant les différences liées au sexe entre les athlètes jeunes et master, l'augmentation plus prononcée liée à l'âge de la réponse cardiovasculaire à la fatigue inspiratoire était maintenue.Pour conclure, les principaux résultats de cette thèse mettent en évidence le rôle crucial du système respiratoire dans la limitation de la performance à l'exercice chez les master athlètes.

The healthy respiratory system is generally overbuilt for the demand imposed by physical exercise. Yet, lung adaptations to endurance training are limited. Therefore, during high-intensity exercise, the respiratory system of athletes may no longer be overbuilt to meet the unusually high ventilatory demand. This statement may be amplified in the elderly due to age-induced alterations of lungs structure and respiratory muscle function. Older endurance-trained individuals, called master athletes (>60 years old), thus emerge as particularly susceptible to respiratory limitations during exercise. Taken together, it brings us to the central question: how does the respiratory system limits exercise in master athletes? To answer this question, a multidisciplinary approach was implemented combining physiological measurements with mathematical modeling.We first examined the phenomenon of expiratory flow limitation among young and master female and male athletes. Airflow limitation was measured during a graded cycling test to exhaustion by positioning the averaged tidal flow volume loop within the maximal expiratory flow volume curve. We mainly found that master athletes were more likely to experience flow limitation and that it was associated with maximal expiratory flow volume curvilinearity. For a larger group of male master athletes, the shape of this curve was a major determinant of the severity of expiratory flow limitation. These results highlight the importance of examining expiratory flow pattern and airway characteristics to understand ventilatory constraints in master athletes.Therefore, in a second time, our aim was to investigate the physical mechanisms underlying expiratory flow in the lungs. We analyzed the effect of gas density and viscosity through heliox breathing in aging airways. Principles from fluid mechanics and simulations of expiratory flow in a compliant airway tree model were combined with experimental measurements. Our findings depicted flow pattern across airway generations with both air and heliox and provided insight of where laminarity and turbulences should be found. Heliox increases expiratory flow especially in branches where inertial effects are dominant and its effect may be enhanced in the master athletes because of their age-induced smaller airways.Expiratory flow constraints in the lungs increases the demand upon respiratory muscles. Consequently, in a third step we aimed at evaluating the influence of aging on the interplay between respiratory and locomotor muscle fatigue. During a fatiguing inspiratory loaded task, male master athletes exhibited a greater elevation of mean arterial pressure and limb vascular resistance compared to young athletes. On a subsequent strenuous cycling exercise, the activation of the quadriceps muscle was reduced. It resulted in a decrease in time to exhaustion in comparison to a cycling exercise performed with no prior induction of inspiratory muscle fatigue. Moreover, the reduction of exercise performance was greater in master athletes. When the cycling exercise was performed for the same duration without prior induction of inspiratory muscle fatigue, we found less neuromuscular fatigue in limb muscles, implying that inspiratory muscle fatigue accelerated limb muscle fatigue to a greater extent in master athletes.Furthermore, when examining biological sex differences between young and master athletes, the greater age-related elevation of cardiovascular response to inspiratory muscle fatigue, was maintained.In summary, the main findings of this thesis highlight the pivotal role of the respiratory system in limiting exercise performance in master athletes.