Pratiquer une activité physique régulière est un moyen efficace et indispensable pour se maintenir longtemps en bonne santé ! Mais que se passe-t-il vraiment dans notre corps lorsqu’e se met à bouger ? Damien Vitiellio, docteur en science, UFR STAPS, Université de Paris et expert du collège de PuMS nous explique tout !
Le passage d’un état de repos à un état actif entraîne une succession de réponses au sein de notre organisme pour permettre la fixité du milieu intérieur (1) ou autrement dit l’adaptation du fonctionnement de nos organes à un état plus actif et donc plus énergivore. En effet, la transition entre le repos et l’exercice augmente les besoins énergétiques de notre organisme afin de répondre à une plus grande fréquence et force de contraction de nos muscles. Le recouvrement de ces besoins se fait grâce aux réponses de nos différents organes impliqués dans la fourniture d’oxygène et de nutriments aux muscles que sont : le cœur, les vaisseaux sanguins et les poumons. Ainsi, le fonctionnement de ces organes centraux pour l’activité physique est en constante adaptation en fonction de l’intensité et de la durée de l’effort afin d’adapter l’apport énergétique aux besoins de notre organisme. Le plus souvent, tout ceci est géré par notre système nerveux autonome (SNA), sorte de régulateur nerveux qui gère l’ensemble de nos fonctions vitales sans en dehors de notre volonté.
Réponses physiologiques du système cardiovasculaire : plus, plus fort, plus vite !
Dès que nous nous mettons à faire de l’exercice, des récepteurs spécialisés envoient des messages nerveux au cerveau pour alerter sur l’augmentation du nombre et de la force des contractions musculaires et sur l’augmentation de la pression artérielle dans nos vaisseaux. En réponse, le SNA commande au cœur de battre plus vite et plus fort pour augmenter le débit cardiaque et le débit sanguin à destination des muscles actifs (2). Ils auront ainsi plus d’oxygène et plus de nutriments pour continuer à se contracter. En parallèle de la réponse cardiaque, les vaisseaux sanguins et notamment les artérioles des muscles squelettiques, vont « s’autodilater » afin d’augmenter la quantité de sang à destination des muscles (3) lors de l’effort. A titre d’exemple, le débit cardiaque peut passer de 6-7 L/min au repos à 40 L/min à l’effort maximal pour les athlètes les plus entraînés !
Réponses physiologiques du système respiratoire : plus ample, plus vite !
C’est la même logique au niveau respiratoire. En effet, lorsque nous nous mettons à faire de l’exercice, des récepteurs spécialisés placés dans le système vasculaire et en contact du liquide céphalorachidien vont informer le cerveau de la baisse de la pression partielle d’oxygène et de la hausse de la pression partielle de dioxyde de carbone dans le sang. Ainsi, en réponse, le SNA va commander aux poumons de ventiler plus d’air (4) en augmentant la fréquence respiratoire et le volume d’air utiliser pour les échanges gazeux entre le poumon et le sang. Ainsi, le sang pourra se charger amplement en oxygène et se décharger massivement en dioxyde de carbone grâce à la respiration. Les muscles actifs pourront alors continuer à travailler grâce à l’adaptation de l’apport en oxygène en accord avec leur demande. Là encore pour se rendre compte, la ventilation peut passer de 6 L/min au repos à près de 200 L/min pour les athlètes de haut niveau à l’effort maximal !
Réponses physiologiques du système musculaire squelettique : plus rapide, plus endurant, plus fort !
Comme vu précédemment les muscles vont bénéficier d’un apport massif en oxygène et en nutriment grâce à l’activation des systèmes cardiovasculaire et respiratoire. Cependant, pour se contracter, une gestion fine de l’énergie intramusculaire doit être faite pour assurer la continuité de l’effort musculaire. Cette énergie est stockée dans une molécule appelée adénosine triphosphate ou ATP. Au cours de l’effort, il est tout d’abord important qu’un turnover de l’ATP soit constamment réalisé afin de maintenir le plus stable possible la quantité d’énergie nécessaire (5). Ce turnover va dépendre globalement de la quantité de masse musculaire engagée dans l’effort. Par exemple, 15 kg de masse musculaire est engagée dans un effort continu d’endurance pour une personne de 70 kg (6). Puis, il est nécessaire que le muscle puisse utiliser une source d’énergie extérieure car ses propres réserves en ATP sont très limitées ainsi que le turnover de l’ATP basé sur les réserves intramusculaires en phosphagène (7). Ainsi, au cours de l’effort, le muscle va pouvoir utiliser l’ATP contenue dans le glucose (8) circulant dans le sang ainsi que dans certains lipides (9) en les oxydant, afin de subvenir à ses besoins en fonction de la durée et de l’intensité de l’exercice. Enfin, le muscle à l’effort va devoir augmenter la consommation d’oxygène en augmentant sa capacité à « capter » l’oxygène du sang. Ainsi, pour une personne de 70 kg, le muscle peut passer d’une consommation de 0,7 ml/min/kg d’oxygène au repos à plus de 85 ml/min/kg pour un athlète très entraîné en endurance (10). Grâce à ces différentes réponses, le muscle squelettique va pouvoir se contracter plus fortement, plus rapidement et plus longtemps.
Par ailleurs, lors d’une transition repos-effort ou entre des efforts de durée et d’intensité différentes, il se produit des réponses physiologiques cardiovasculaires, respiratoires et musculaires. Cependant, d’autres organes comme le cerveau, la peau ou encore les reins répondent à l’exercice aigu pour respectivement contrôler nos mouvements, réguler la température corporelle et l’hydratation de l’organisme.
Réponses physiologiques du cerveau : un chef d’orchestre adaptable !
Grâce à notre cerveau, le contrôle des mouvements, de notre locomotion et de nos gestes est possible. Cependant, tout ceci demande des réponses physiologiques spécifiques. Au cours de l’effort, on observe une redistribution du flux sanguin cérébral à destination des zones cérébrales impliquées dans le contrôle de la locomotion et des fonctions cardiorespiratoires, vestibulaires et visuelles (11). En parallèle, le cerveau est capable d’adapter l’utilisation des substrats énergétiques en fonction de ses besoins et de la ressource. Ainsi, quand son substrat préférentiel vient à diminuer (glucose), il est capable d’utiliser du lactate pour obtenir l’ATP nécessaire à son fonctionnement (12). Ainsi, la vitesse de fonctionnement de notre cerveau s’accroît pendant l’effort pour pouvoir gérer finement l’ensemble des fonctions vitales et des systèmes biologiques de notre organisme impliqués dans l’exercice.
Réponses physiologiques de la peau : contre la surchauffe !
La peau est un organe à part entière dont la fonction est importante au cours de l’exercice. En effet, l’activité de notre SNA et plus particulièrement la branche activatrice de ce système (sympathique) augmente au niveau de la peau lorsque nous réalisons un effort (13). Ainsi, le flux sanguin sous-cutané augmente afin de dissiper l’excès de chaleur produit par la contraction de nos muscles par convection du sang au contact de la peau plus fraîche. Cet effet est majoré par l’augmentation de la transpiration produite par les glandes sudoripares de la peau (14). Grâce à ces réponses, notre peau permet la thermorégulation de notre température corporelle interne de ne pas trop monter pendant l’effort afin de permettre un fonctionnement optimal de nos organes los de l’exercice.
Réponses physiologiques des reins : les garants de l’eau !
Lorsque nous réalisons un effort, nous transpirons plus et nous expirons plus d’air chargé d’eau. Ceci entraîne une déshydratation plus ou moins importante en fonction de la durée de l’effort et de l’état d’hydratation corporelle pré-effort (14). Le maintien d’une hydratation corporelle pendant l’effort à son importance car une déshydratation correspondante à 10-15 % de la masse corporelle (soit environ 20 à 30% de l’eau corporelle totale) peut être létale. Heureusement, nos reins répondent aussi à l’exercice afin de limiter les pertes d’eau. En effet, la perte d’eau liée à l’exercice entraîne une stimulation de la réabsorption d’eau et de sel au niveau rénal (15). De plus, le rein semble adapté sa fonction de filtration pour des efforts intenses et de courte durée (test d’effort maximal) induisant environ 1% de déshydratation corporelle (16). Ainsi, les pertes d’eau sont transitoirement limitées pendant l’effort aigu mais cela ne prévaut pas à une adaptation de sa consommation d’eau avant, pendant et après l’exercice.
Vous l’aurez compris, l’exercice physique engendre une multitude de réponses physiologiques afin d’adapter constamment les ressources en oxygène et en nutriment à nos besoins effectifs. Ici n’ont été évoqués que les effets « aigus » de l’exercice mais il faut savoir que les effets à long terme sont tout aussi passionnants à étudier et en plus bénéfiques pour tous les pratiquants. Alors prêts à vous confronter à la magie de votre corps en mouvement ?
Bibliographie
1 – Claude B. Leçons sur les phénomènes de la vie communs aux animaux et aux végétaux.; Bert Paul; Vulpian, A.Paris : J.- B. Baillière; 1879-85.
2 – Hawley JA. Integrative biology of exercise. Cell. 2014 Nov 6;159(4):738-49. doi: 10.1016/j.cell.2014.10.029.
3 – Hellsten Y et al. Vasodilator interactions in skeletal muscle blood flow regulation. J. Physiol. 2012. 590, 6297–6305.
4 – Dempsey JA et al. Are type III-IV muscle afferents required for a normal steady-state exercise hyperpnoea in humans? J. Physiol. 2014. 592, 463–474.
5 – Gaitanos GC et al. Human muscle metabolism during intermittent maximal exercise. J. Appl. Physiol. 1993. 75, 712–719.
6- Coyle EF et al. Physiological and biomechanical factors associated with elite endurance cycling performance. Med. Sci. Sports Exerc. 1991. 23, 93–107.
7 – Baker JS et al. Interaction among Skeletal Muscle Metabolic Energy Systems during Intense Exercise. J Nutr Metab. 2010. doi: 10.1155/2010/905612.
8 – Richter EA et Hargreaves M. Exercise, GLUT4, and skeletal muscle glucose uptake. Physiol. Rev. 2013. 93, 993–1017.
9 – Jeppesen J et Kiens B. Regulation and limitations to fatty acid oxidation during exercise. J. Physiol. 2012. 590, 1059–1068.
10 – Saltin B et Astrand PO. Maximal oxygen uptake in athletes. J. Appl. Physiol. 1967. 23, 353–358.
11 – Laughlin MH et al. Peripheral circulation. Comp Physiol. 2012. 2: 321–447.
12 – Quistorff B et al. Lactate fuels the human brain during exercise. FASEB J. 2008. 22: 3443–3449.
13 – Posada-Quintero HF et al. Time-varying analysis of electrodermal activity during exercise. Plos One. 2018. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0198328.
14 – Gonzalez-Alonso J. Human thermoregulation and the cardiovascular system. Exp. Physiol. 2012. 97:340–346.
15 – Knepper MA et al. Molecular physiology of water balance. N. Engl. J. Med. 2015. 373:196.
16 – Bongers CCWG et al. Impact of acute versus prolonged exercise and dehydration
on kidney function and injury. Physiol Rep. 2018. 6 (11)/ e13734. https://doi.org/10.14814/phy2.13734.
