2004
Science et motricité
Étiologie et cinétique d’apparition de la fatigue neuromusculaire lors d’exercices prolongés de cyclisme
Romuald Lepers
[(1)]
Guillaume Millet
[(2)]
Nicola Maffiuletti
[(1)]
De nombreuses études ont mis en évidence une altération de la fonction neuromusculaire
consécutivement à des exercices de cyclisme de longue durée (de 30 min à plusieurs heures).
La fatigue musculaire au cours de ce type d’exercices, pouvant se traduire par une réduction
de la puissance maximale produite lors d’efforts intenses de type sprints, est généralement
quantifiée par la perte de force maximale volontaire au niveau des muscles extenseurs du
genou. Les techniques de stimulation nerveuse percutanée appliquée au niveau du nerf fémoral permettent d’identifier les facteurs périphériques (onde M, couplage excitationcontraction, contractilité) et centraux (niveau d’activation) responsables de la fatigue musculaire.
Les mécanismes centraux de la fatigue, d’origines spinaux et/ou supra-spinaux, semblent
intervenir plus tardivement que les phénomènes périphériques lorsque l’exercice de cyclisme
se prolonge plusieurs heures. De façon intéressante, des études récentes tendent à montrer
que les altérations neuromusculaires occasionnées par l’exercice ne semblent pas dépendre
de la fréquence de pédalage utilisée. De plus, il semble que sous l’effet de la fatigue, le patron
de pédalage reste stable au cours d’exercices sous-maximaux tant que ceux-ci ne sont pas
prolongés jusqu’à épuisement. Les mécanismes, tels que les changements de coordinations
musculaires, permettant au cycliste de maintenir un niveau d’intensité identique durant
plusieurs heures sans dégradation du patron locomoteur demandent encore a être explorés.Mots-clés :
fatigue, cyclisme, muscle, activation, neurostimulation, EMG, fré, quence de pédalage.
Aetiology and time course of neuromuscular
fatigue during prolonged cycling exercises
ABSTRACT
Numerous studies have shown an alteration of neuromuscular function following prolonged
cycling exercises (from 30 min to several hours). Muscular fatigue during this kind of exercises, evidenced by reduction of maximal power output during intense efforts such as sprint,
is generally quantified by the loss of maximal voluntary force of the knee extensor muscles.
Techniques of percutaneous stimulation of the femoral nerve allow to identify peripheral (Mwave, excitation-contraction coupling process, contractility) and central (activation level)
mechanisms of fatigue. Central fatigue, locating at spinal and/or supraspinal level, seems to
occur later than peripheral fatigue when exercise lasts several hours. Interestingly, recent
studies tend to show that neuromuscular alterations do not depend on pedalling frequency.
In fatigue conditions, pedalling pattern remains stable during sub-maximal exercise if exercise is not performed until exhaustion. Mechanisms such changes in muscular strategies,
allowing the cyclist to sustain an identical intensity throughout long-duration exercise
without degradation of locomotor pattern need further investigations.Keywords :
Fatigue, cycling, muscle, activation, neurostimulation, EMG, pedalling rate.
La performance au cours d’une épreuve de cyclisme prolongée dépend
de la capacité à maintenir un niveau de puissance le plus élevé possible
durant la totalité de l’épreuve. Si cette caractéristique est prédominante
lorsque l’effort est individuel (type contre-la-montre), lors des courses
sur route de nature souvent stochastique, la performance peut aussi
dépendre de la capacité du cycliste à produire une puissance maximale
(sprint) jusqu’à la fin de l’épreuve. La performance au cours d’un exercice de longue durée nécessite le maintien des différentes fonctions
physiologiques de l’organisme et en particulier de la fonction neuromusculaire. L’exercice prolongé de cyclisme a souvent servi de modèle
d’études pour analyser les stratégies nutritionnelles afin d’optimiser le
type et la quantité des apports énergétiques en vue d’améliorer la performance (e.g. Burke et Hawley 1999). Cependant, les altérations neuromusculaires occasionnées par ce type d’exercice ont été très peu étudiées à ce jour.
Les altérations de la fonction neuromusculaire sont associées au
concept de fatigue neuromusculaire ou plus simplement de fatigue
musculaire. Parmi les nombreuses définitions de la fatigue musculaire,
il est souvent retenu : (i) une incapacité à maintenir un exercice à un
niveau de puissance donné, ou (ii) une réduction de la force maximale
que le muscle peut produire. La fatigue musculaire peut se développer
lors d’exercices courts et intenses mais aussi lors d’efforts de longue
durée. L’exercice de longue durée (de 30 min jusqu’à plusieurs heures)
diffère de l’exercice court et intense essentiellement par la contribution
énergétique de la glycolyse anaérobie plus importante lors d’exercices
réalisés à haute intensité. L’intensité et la durée de l’exercice influence
donc la cinétique de la déplétion glycogénique et par conséquent le
métabolisme du muscle squelettique. La fatigue lors d’exercices courts
et intenses est généralement associée à une accumulation de métabolites
(H+, Pi), alors que la fatigue au cours d’exercices prolongés est souvent
liée à la déplétion en glycogène. De plus, il a été montré par exemple que
des changements physiologiques spécifiques se produisent au cours de
l’exercice prolongé : diminution de la concentration des acides animés
branchés, augmentation des acides gras libres et du tryptophane libre
au niveau sanguin et de la sérotonine au niveau cérébral. Ces changements sont suspectés d’altérer la commande allant du système nerveux
central vers les muscles.
Puisque les réponses physiologiques dépendent de l’intensité et de
la durée de l’exercice, les mécanismes limitant la performance sont différents entre les exercices courts et les exercices prolongés. En plus
d’une fatigue périphérique occasionnée par les changements métaboliques au niveau musculaire, une fatigue centrale i.e. une réduction de la
commande motrice efférente vers les muscles actifs en amont de la jonction neuromusculaire peut aussi participer au déclin de la performance
musculaire au cours de l’exercice de cyclisme prolongé. Néanmoins, la
contribution relative des mécanismes centraux et périphériques à la
réduction des capacités musculaires et donc au déclin de la performance
au cours des exercices de longue durée, en particulier en cyclisme, reste
à ce jour encore mal connue.
Le but de cet article est dans un premier temps de synthétiser les
travaux récents ayant investigués les altérations de la fonction neuromusculaire au cours d’exercices de cyclisme prolongés afin d’évaluer la
contribution et la cinétique d’apparition des facteurs périphériques et
centraux dans l’installation de la fatigue au cours de ce type d’efforts.
Certains aspects spécifiques au cyclisme, relatifs à l’effet de la fréquence
de pédalage sur la fatigue et aux interactions entre la fatigue et le patron
de pédalage, seront ensuite abordés dans une seconde partie.
Mise en évidence de la fatigue musculaire
La fatigue est un phénomène évolutif transformant progressivement
l’état fonctionnel du corps, l’épuisement étant le point d’arrêt de l’exercice. Lors d’exercices de cyclisme prolongés réalisés à une intensité
sous-maximale, le processus de fatigue est souvent progressif, et survient alors que la performance est encore maintenue à un niveau constant, c’est à dire que le cycliste est toujours capable de fournir le niveau
de puissance désiré.
La complexité du système neuromusculaire ne facilite pas l’évaluation de tous les phénomènes impliqués dans le développement de la
fatigue. Le degré de fatigue musculaire peut être cependant objectivé
par l’importance de la réduction de la force maximale volontaire. Il est
ainsi possible de quantifier la fatigue musculaire, pendant et après un
exercice prolongé de cyclisme, en exécutant des contractions maximales
volontaires (CMV), lors de brèves interruptions de l’exercice, et à la fin
de celui-ci. Certes, cette méthode est critiquable car elle ne permet pas
d’évaluer précisément le degré de fatigue des muscles réellement impliqués lors de l’exercice ; en effet, les groupes musculaires sollicités par
exemple pendant le pédalage en cyclisme ne correspondant pas exactement à ceux mobilisés lors d’un mouvement d’extension du genou réalisé en position assise. Cependant, cette méthode donne des critères
objectifs des altérations des capacités maximales musculaires, induites
par l’exercice.
La réduction de la capacité de production de force maximale volontaire occasionnée par des exercices prolongés de cyclisme a principalement été étudiée au niveau des muscles extenseurs du genou (voir
Figure 1). Les résultats montrent que la réduction de CMV isométrique,
se situe entre 8 et 34 %, en fonction de la durée et l’intensité de l’exercice.
Les réductions plus importantes sont observées quand l’exercice est mené
jusqu’à épuisement (Sahlin et Seger 1995, Booth et al. 1997). Les conditions
de réalisation de l’exercice (laboratoire versus compétition) peuvent
entraîner des disparités dans les mesures de pertes de force post-exercice.
Par exemple, dans l’étude de Millet et al. (2003), les réductions de CMV
après une épreuve cyclo-sportive d’une durée proche de 5h étaient égales
à 9 % alors qu’un exercice de 5h réalisé sur ergocycle occasionnait des
pertes égales à 18 % (Lepers et al. 2002). Le caractère discontinu de
l’épreuve réalisée en situation de course cycliste et le délai de mesure
inhérent aux conditions de terrain peuvent expliquer ces différences.
FIGURE 1
Évolution des pertes de force maximale au niveau des extenseurs du genou en fonction de la
Certaines études ont aussi mis en évidence une réduction progressive de la puissance maximale produite lors de sprints au cours d’exercices de cyclisme prolongés. Les travaux de St Clair Gibson et al. (2001)
ont montré par exemple une réduction progressive atteignant 21 % en
fin d’exercice de la puissance maximale développée lors de sprints
d’1 km effectués à intervalles réguliers au cours d’un 100 km simulé en
laboratoire. De même, Fritzsche et al. (2000) ont montré que la puissance
maximale développée sur ∼ 4 sec diminuait de 15 % au cours d’un effort
d’environ 2h, réalisé à 62 % de VO2max, sans apport énergétique. Cette
diminution était ramenée à 7 % si les sujets avaient un apport exogène
de glucides. Au cours d’un exercice d’une heure réalisé à 75 % de la
puissance maximale aérobie (PMA) dans des conditions chaudes (33 °C)
et humides (64 % d’humidité), Kay et al. (2001) ont mesuré la puissance
maximale développée sur 1-min toutes les 10 min. Ces auteurs ont mis
en évidence une réduction progressive de la puissance maximale qui
atteignait 13 % à la 50e minute de l’exercice. Mais de façon surprenante,
les sujets étaient capables de retrouver des niveaux de puissance similaires à ceux développés en début d’exercice lors du dernier sprint effectué à fin de l’exercice, suggérant alors la présence d’une « réserve
neuromusculaire » durant l’exercice. Les deux études de St Clair Gibson
et al. (2001) et de Kay et al. (2001) ont montré que la réduction de la puissance maximale au cours des sprints était associée à une diminution
parallèle de l’activité électromyographique du muscle rectus femoris. Il
a été alors suggéré par ces auteurs que la réduction de l’activité neuromusculaire pourrait être impliquée dans l’apparition de la fatigue au
cours d’exercices de cyclisme prolongés.
La diminution de la capacité de production de force maximale peut
être associée à des perturbations au niveau de la commande nerveuse
mais aussi à des modifications au niveau musculaire. Les facteurs centraux et périphériques impliqués dans la fatigue musculaire ont fait
l’objet de nombreux travaux utilisant différents protocoles manipulant
le type d’activation musculaire par contraction volontaire ou évoquée
électriquement, le type de contraction, la durée et l’intensité de l’exercice. Néanmoins, les données concernant les aspects neuromusculaires
de la fatigue après des efforts de longue durée (> 30 min), de cyclisme
en particulier, sont plus limitées.
La composante centrale de la fatigue
La diminution de la capacité maximale de production de force peut être
due à une réduction de la commande centrale impliquant des mécanismes situés en amont de la jonction neuromusculaire.
Les méthodes d’évaluation de l’activation centrale
Il est possible d’estimer le déficit d’activation par la méthode de la stimulation surimposée (Merton 1954). Cette méthode consiste à surajouter une stimulation électrique maximale (par voie nerveuse ou musculaire) à une contraction musculaire volontaire. Pour estimer le niveau
d’activation volontaire, l’amplitude de la force générée par stimulation
électrique au repos est comparée à celle de la force additionnelle générée
par la stimulation surimposée à la contraction volontaire. On utilise en
général cette méthode en condition maximale, c’est à dire que la stimulation électrique est surimposée à une CMV le plus souvent isométrique
(voir Figure 2). Le niveau d’activation (NA) est calculé comme suit :
NA (%) = [1 – Amplitude de la secousse surimposée
/Amplitude de la secousse au repos].100
FIGURE 2
Tracé représentant une secousse musculaire de contrôle obtenue sur un muscle au repos
Bien qu’il ait été montré qu’une double stimulation ou un train de
stimulation généraient une augmentation de force significativement
plus importante qu’une simple impulsion (Miller et al. 1999), cette dernière méthode peut être néanmoins considérée comme suffisamment
pertinente pour évaluer le niveau d’activation (Gandevia et al. 1998). De
plus, la secousse surimposée est moins douloureuse qu’un train de stimulation, en particulier dans des conditions de fatigue. La plus grande
difficulté réside cependant dans le fait de surimposer la stimulation à un
instant le plus proche possible du plateau de force maximale. On peut
aussi simplement comparer la force maximale obtenue par CMV avec la
force maximale totale obtenue après stimulation surimposée à cette
CMV, la différence entre les deux valeurs rend compte du déficit d’activation ou CAR (central activation ratio) : CAR = CMV/(CMV + force
évoquée). (Voir Kent-Braun et Le Blanc 1996).
Une autre méthode permet d’estimer la diminution de la commande centrale. Cette méthode consiste à comparer les modifications de
l’activité électromyographique (quantifiée par la valeur RMS – Root
Mean Square) obtenue lors d’une contraction maximale volontaire avec
les modifications du potentiel d’action musculaire résultant, encore
appelé onde M. Un changement d’activité électromyographique peut,
en effet, être dû à une modification de la commande centrale mais aussi
à des modifications périphériques de l’onde M. Une réduction de la
RMS globale pourra être interprétée comme un déficit de la commande
centrale, seulement s’il n’y a pas de modification de l’onde M. Pour ces
raisons, il est préférable d’utiliser le rapport : RMS.M–1 pour estimer la
réduction de la commande motrice ; le paramètre associé à l’onde M
pouvant être selon les études son amplitude, sa surface ou sa RMS.
La baisse d’activation maximale à la suite d’un exercice
de cyclisme prolongé
Il a été montré que la perte de force maximale après un exercice prolongé de cyclisme était accompagnée une réduction de l’activité électromyographique associée des muscles vastus lateralis (VL) et vastus
medialis (VM), (Bentley et al. 2000, Lepers et al. 2000). Cependant ces travaux n’ont pas étudié les modifications possibles de l’onde M pouvant
expliquer en partie la diminution de l’activité EMG recueillie lors des
CMV. Des études plus récentes montrent en général une diminution du
rapport RMS.M–1 en association avec la réduction de force maximale
(Lepers et al. 2001,2002, Sarre et al. sous presse), (voir Tableau 1).
L’ensemble de ces résultats montre donc que la diminution de la capacité de production de force maximale consécutive à un exercice prolongé de cyclisme peut en partie être expliquée par une réduction de la
commande nerveuse descendante. Il faut cependant rappeler que les
modifications de l’EMG de surface doit être interpréter avec prudence
car de nombreux phénomènes peuvent interférer (voir Farina et al., sous
presse) : Cross-talk (De Luca et Merletti, 1988), synchronisation des unités motrices (Kilmer et al. 2002), annulation des phases positives et négatives des potentiels d’action d’unités motrices (Day et Hulliger, 2001).
Un déficit d’activation centrale estimé à partir de la méthode de la
secousse surimposée a aussi été mis en évidence à la suite d’exercices
prolongés de cyclisme. Par exemple, le niveau d’activation chute de 82
à 72 % après un exercice de 30 min réalisé à 80 % de PMA (Lepers et al.
2001), et de 94 à 85 % après un exercice de 5 h réalisé à 55 % de PMA
(Lepers et al. 2002). Il a été aussi montré que l’hyperthermie générée par
un exercice de cyclisme réalisé dans un environnement chaud (40°C), de
même que l’hypoglycémie diminuaient la force moyenne produite pendant une contraction maximale soutenue, et que la réduction de force
était associée à une diminution du niveau d’activation du système nerveux central. (Nybo et Nielsen 2001 ; Nybo 2003). La méthode de la
secousse surimposée permet dans certains cas de mettre en évidence
une baisse significative de l’activation centrale alors que le rapport
RMS.M–1 n’est pas significativement diminué. Cependant, le rapport
RMS.M–1 peut être calculé au niveau de chefs musculaires différents (ex.
muscles vastii et rectus femoris au niveau du quadriceps), ce qui permet
ainsi de différentier le niveau de fatigue de chacun des muscles étudiés.
Il est important de préciser que le niveau d’activation en état de repos
présente une grande variabilité inter individus. Au niveau du muscle
quadriceps, celui-ci varie de 82 % à 97 % suivant les études (Lepers et al.
2001,2002 ; Millet al. 2003).
Les causes de la fatigue centrale
La réduction de la commande motrice au niveau des motoneurones
peut être due à des mécanismes spinaux et supra-spinaux (pour une
revue complète, voir Gandevia 2001). Au niveau de l’étage cortical, il a
été récemment montré, grâce à la technique d’imagerie par résonance
magnétique, que les aires primaires sensori-motrices du cortex augmentaient leur niveau d’activation pendant une contraction sous-maximale
fatigante (Liu et al. 2003). Cependant en fin de contraction, le niveau
d’activation atteignait un plateau, ce qui pourrait témoigner d’après les
auteurs d’un signe de fatigue centrale. Des hypothèses biochimiques
ont été aussi proposées. Par exemple, durant l’effort prolongé, l’augmentation de la concentration des acides gras libres associée à la déplétion glycogénique entraîne une hausse du rapport [tryptophane libre]/
[acides aminés ramifiés] dans le plasma, et donc une augmentation du
tryptophane cérébral qui est un précurseur de la sérotonine (Davis et
Bailey, 1997). Davis et al.(1992) ont en effet montré qu’un exercice réalisé.
à 68 % de VO2max jusqu’à épuisement (∼3 h), sans apport glucidique,
augmentait de façon importante la concentration de tryptophane libre.
Le temps d’endurance était accru (∼4 h) et l’augmentation de tryptophane libre atténuée avec l’apport exogène de glucose au cours de
l’exercice. L’augmentation de la sérotonine cérébrale est suspectée
d’induire une fatigue centrale en réduisant les impulsions corticospinales atteignant les motoneurones et donc le niveau d’activation centrale
(Davis et Bailey, 1997). La libération d’Interleukine-6 par le cerveau
durant l’exercice prolongé comme cela a été montré par Nybo et al.
(2002) au cours d’un exercice de cyclisme d’une durée d’une heure réa-.
lisé à ∼50 % de VO2max pourrait aussi contribuer à au développement de
la fatigue centrale (Gleeson 2000).
La fatigue centrale peut aussi prendre place au niveau spinal à partir de réflexes inhibiteurs périphériques sur le pool des motoneurones α
(Garland et McComas 1990), de signaux inhibiteurs périphériques susceptibles d’être générés par des récepteurs sensibles aux changements
métaboliques et mécaniques au niveau des muscles actifs via les afférences III et IV (Garland et Kauffman, 1995), d’une « défacilitation » des
motoneurones α par des signaux afférents en provenance des fuseaux
neuromusculaires (Bongiovanni et Hagbarth 1990). Enfin, il n’est pas à
exclure une augmentation de l’inhibition de Renshaw au niveau spinal
ainsi qu’un adaptation au niveau du motoneurone lui-même (Figure 3).
FIGURE 3
Les possibles mécanismes responsables de la réduction de la commande motrice avec la fatigue.
Les modifications en aval de la jonction neuromusculaire peuvent être
appréhendées par la technique de la stimulation du nerf moteur. L’analyse du potentiel d’action musculaire résultant ou onde M (Figue 4A),
de la secousse musculaire (Figure 4B), et de la force tétanique peut renseigner respectivement sur les modifications de l’excitabilité, du couplage excitation-contraction et de la contractilité musculaire. La technique de neurostimulation percutanée est généralement utilisée au niveau
du muscle quadriceps car le nerf fémoral est relativement bien accessible et facile à stimuler.
Le potentiel d’action musculaire résultant ou onde M
FIGURE 4
Caractéristiques de l’onde M (A) et de la secousse musculaire (B). A : amplitude pic à pic,
La stimulation du nerf moteur crée une dépolarisation qui va se propager le long du nerf, et générer à son tour un potentiel d’action au niveau
de chaque fibre musculaire. L’électromyographie de surface permet
d’enregistrer le potentiel d’action musculaire résultant (onde M) de la
dépolarisation de toutes les unités motrices sollicitées (Figure 4A). Si
l’intensité est suffisante, la stimulation du nerf fémoral permet un recrutement de toutes les unités motrices du muscle quadriceps d’un point de
vue spatial, le recrutement temporel dépendant de la fréquence de stimulation.
Lepers et al. (2000) ont montré qu’un exercice de cyclisme de 2h,
réalisé à environ 65 % de la PMA, réduisait de 19 % le moment maximal
isométrique et altèrerait significativement les paramètres de l’onde M
au niveau du muscle quadriceps. Consécutivement à l’exercice, l’amplitude pic à pic du potentiel d’action résultant au niveau des muscles vastus lateralis (VL) et vastus medialis (VM) diminuait respectivement de
15 et 20 %, alors que la durée augmentait de 24 % pour le muscle VL et
de 12 % pour le muscle VM. Cette altération des paramètres de l’onde
M a été aussi constaté après un exercice de cyclisme plus long (5h) réalisé à une intensité plus faible (55 % de PMA) (Lepers et al. 2002). Au
contraire, aucune modification significative de l’onde M n’a été observée après un exercice de pédalage de 30 min réalisé à une intensité correspondant à 80 % de PMA (Lepers et al. 2001).
Les altérations de l’onde M au niveau du muscle quadriceps
n’avaient, à notre connaissance, jamais été mises en évidence après un
exercice de cyclisme prolongé. Arnaud et al. (1997) ont montré une
réduction de l’amplitude de l’onde M au niveau du muscle VL, mais
chez des sujets non entraînés effectuant un exercice de cyclisme de
5 minutes à haute intensité. Des perturbations de la propagation neuromusculaire ont été mises en évidence dans de nombreuses études sur
différents muscles après des contractions musculaires sous-maximales
ou maximales, intermittentes ou continues (Duchateau et Hainaut 1985,
MacFadden et MacComas, 1996). Cependant, les résultats concernant
les altérations de l’onde M au niveau du muscle humain consécutives à
la fatigue sont controversés. Par exemple, Bigland-Richtie et al. (1982)
n’ont trouvé aucune modification de l’onde M après des contractions
volontaires maintenues. Au contraire, d’autres auteurs (Hortobagyi et
al. 1996, West et al. 1996, Lattier et al. sous presse) ont observé une potentialisation de l’onde M en situation de fatigue. Cette divergence dans les
résultats peut s’expliquer en partie par les différents protocoles de fatigue utilisés et le type de contractions musculaires (isométrique, concentrique, excentrique).
L’altération des caractéristiques de l’onde M, quand elle est présente, témoigne d’une transmission neuromusculaire défaillante et/ou
d’une réduction de l’excitabilité au niveau du sarcolemme musculaire.
Le dysfonctionnement de la propagation neuromusculaire est lié à une
altération des processus ioniques. Il a été montré, lors d’un 100 km en
course à pied, qu’il y avait une réduction des gradients d’ions Na+ et K+
transmembranaire au niveau du muscle squelettique ; ceci se traduisant
par une augmentation du K+ plasmatique et du Na+ intracellulaire et
par une réduction du K+ intracellulaire (Overgaard et al., 2002). Il n’est
pas à exclure que la diminution de ce gradient trans-sarcolemmique de
Na+ ou de K+ puisse réduire l’excitabilité musculaire durant un exercice
de cyclisme prolongé. Cependant, Sandiford et al. (sous presse) ont
récemment montré chez des sujets non-entraînés, après un exercice de.
cyclisme de 90 min réalisé à 50 % de VO2max, une réduction de l’activité
Na+-K+-ATPase au niveau du muscle vastus lateralis, sans modification
de l’onde M. Il est néanmoins important de préciser que l’augmentation
de la durée pic à pic de l’onde M peut être due à une réduction de la
vitesse de conduction le long de la fibre musculaire mais aussi être le
reflet d’une dispersion plus importante des potentiels d’action musculaires des unités motrices, entraînant alors un allongement du potentiel
résultant.
La secousse musculaire et la force tétanique
La réponse mécanique associée à la secousse musculaire au niveau des
muscles extenseurs du genou, évoquée par l’onde M, peut être enregistrée par l’intermédiaire d’un dynamomètre ou d’un ergomètre isocinétique utilisé en mode isométrique. L’intensité de stimulation est ajustée
de façon à obtenir la réponse mécanique maximale correspondant généralement à l’amplitude maximale des ondes M. Cette intensité optimale
de stimulation va permettre de recruter l’ensemble des unités motrices
du muscle quadriceps. Les courants de stimulation utilisés dans le cas
du nerf fémoral correspondent à une pulsation rectangulaire d’une
durée de 2 ms ; le stimulateur délivre par exemple à un courant à intensité constante variant de 20 à 100 mA, la tension dépend de l’impédance
mais ne dépasse les 400V.
TABLEAU 2
Réductions du moment maximal isométrique (MVC) au niveau des muscles extenseurs du genou
TABLEAU 2
Réductions du moment maximal isométrique (MVC) au niveau des muscles extenseurs du genou
et des paramètres de la secousse musculaire après différents exercices prolongés de cyclisme.
Pt : amplitude de la secousse musculaire, CT : temps de contraction, HRT : temps de demi-relaxation, RD : vitesse maximale de contraction, RR : vitesse maximale de relaxation. D’après
les travaux de Lepers et al. (2000,2001,2002)
30 min, 80 % PMA
120 min, 65 % PMA
300 min, 55 % PMA
MVC
–13 %**
–13 %**
–18 %*
Pt
–15 % **
–23 % **
–18 % *
CT
ns
ns
– 9 % *
HRT
–21 % **
ns
ns
RD
–10 % **
–18 *
–23 % *
RR
ns
ns
–23 % *
* : P < 0.05, ** : P < 0.01, ns : non significatif
Les études montrent que la réduction de la force maximale après un
exercice prolongé de cyclisme, est associée à une altération des paramètres de la secousse musculaire évoquée (Tableau 2), sauf dans l’étude de
Millet et al. (2003) réalisée en condition écologique lors d’une épreuve
cyclo-sportive où les mesures furent réalisées 15 à 30 min après l’arrivée.
La réduction de l’amplitude de la secousse musculaire comprise
entre 15 et 23 % suivant les études apparaît systématiquement après des
exercices de cyclisme prolongés. Le temps de contraction est moins sujet
à modifications ; l’amplitude de la secousse étant plus faible, cela se
traduit par une réduction de la vitesse maximale de contraction. La
diminution de l’amplitude de la secousse peut être dûe à plusieurs
phénomènes : une diminution de la quantité de Ca2+ libéré par le réticulum sarcoplasmique, une réduction de la sensibilité au Ca2+, une réduction de la force produite par les ponts acto-myosine ; en relation ou non
avec des changements de concentration de certains métabolites (H+, Pi).
Il est important de mentionner que l’étude seule de la secousse
musculaire ne rend pas compte d’une éventuelle diminution de la contractilité musculaire. En effet, il a été observé une augmentation de
l’amplitude de la secousse après des exercices de course à pied et de ski
de fond de longue durée, alors que la force maximale isométrique était
diminuée (voir Millet et Lepers, sous presse). Cette potentialisation de
la secousse post-exercice pouvait être expliquée par différents facteurs
tels qu’un accroissement de la raideur du système muscle-tendon, une
augmentation de la température, et plus probablement une phosphorylation des chaînes légères de myosine qui induirait une plus grande
sensibilité aux ions calcium et une activité de l’ATP accrue. La secousse
musculaire évoquée par neurostimulation ne semble donc pas être un
bon indicateur de fatigue périphérique. L’étude des modifications de la
contractilité musculaire doit en toute rigueur se faire à partir de l’ensemble de la courbe force-fréquence, c’est à dire de la réponse du muscle à
des stimulations allant de la stimulation unique au train de stimulations
provoquant la fusion tétanique (80 à 100 Hz). En pratique, l’exploration
in vivo de la relation force-fréquence est limitée par le fait que les stimulations du nerf fémoral à haute fréquence sont parfois assez douloureuses. Certains auteurs (Strojnik et Komi 1998, Sandiford et al, sous presse)
ont étudié cette relation dans des conditions sous-maximales c’est à dire
jusqu’à des niveaux de force inférieurs à la force maximale tétanique,
mais la validité de ces méthodes pour étudier la contractilité reste à être
démontrée.
La cinétique de la fatigue
La fatigue musculaire au cours d’exercices de cyclisme a été dans la plupart des études mise en évidence après des efforts de durée variant de
30 min à 5h. Cependant, St Clair Gibson et al. (2001) ont montré que lors
d’un exercice de 100 km simulé en laboratoire, entrecoupés d’efforts
maximaux d’1 km et de 4 km, la puissance diminuait de façon progressive au cours de l’exercice. Cette réduction de puissance maximale était
accompagnée d’une diminution de l’activité EMG du muscle rectus
femoris suggérant une altération de la commande nerveuse. Au cours
d’un exercice prolongé de cyclisme, la réduction de la capacité de production de force maximale au niveau des muscles extenseurs du genou
semble intervenir de façon progressive alors que la performance, s’exerçant à une intensité sous-maximale, reste néanmoins maintenue à un
niveau constant.
Néanmoins, la cinétique d’apparition de la fatigue aux cours
d’efforts de plusieurs heures reste mal connue. En effet, les mesures
étant réalisées post exercice, on ne sait pas si les pertes de force maximale suivent un décours linéaire en fonction du temps ou si elles sont
surtout marquées en fin d’exercice. De plus, la question reste posée
quant à l’implication relative des facteurs centraux et périphériques
dans le processus d’apparition de la fatigue. À ce jour, une seule étude
a analysé le décours des altérations périphériques et centrales pendant
un exercice prolongé de cyclisme d’une durée de 5h réalisé à 55 % de la
PMA en laboratoire (Lepers et al., 2002). Au cours de cette étude, les propriétés neuromusculaires (nerveuses et contractiles) du muscle quadriceps ont été évaluées chaque heure au cours de courtes interruptions de
l’exercice. La force maximale volontaire au niveau des muscles extenseurs du genou diminuait de 9 % après la première heure d’exercice et
restait à des niveaux similaires les deux heures suivantes (–8 % après 2h,
–10 % après 3h). Une deuxième décroissance apparaissait après la quatrième heure (–16 %) et à la fin des 5 heures, les pertes de CMV atteignaient 18 %. Concernant la cinétique d’apparition des mécanismes
périphériques et centraux de la fatigue, les résultats de cette étude tendent à montrer que le processus du couplage E-C est significativement
altéré dès la première heure d’exercice, alors que l’excitabilité et l’activation centrale sont modifiées de façon plus importante en fin d’exercice (voir Figure 5). Des travaux restent à être menés pour valider
l’hypothèse d’une intervention plus tardive des phénomènes de fatigue
centrale lors d’exercices de cyclisme prolongés réalisés à différentes
intensités.
FIGURE 5
Évolution de la force maximale volontaire (CMV) au niveau des muscles extenseurs du genou
Effet de la fréquence de pédalage
sur la fatigue musculaire
Les effets de la fréquence de pédalage en cyclisme sur les paramètres
physiologiques, électromyographiques et biomécaniques ont fait l’objet
à ce jour de nombreuses études. Pourtant, les mécanismes qui guident
le choix de la fréquence de pédalage spontanément choisie par les cyclistes ne semblent pas clairement établis et les explications sont certainement pluri-factorielles. Les travaux ayant étudiés les relations entre la
cadence avec les paramètres énergétiques et cardiovasculaires tendent à
montrer que chez les cyclistes entraînés, la cadence librement choisie
(CLC), voisine de 90 rpm, serait légèrement supérieure à la cadence
énergétiquement optimale (CEO) (Brisswalter et coll 2000). Ce phénomène observable en début d’exercice, dans des conditions de « non-fatigue » ne semble pas perdurer quand l’exercice se prolonge. En effet,
il est souvent observé une diminution de la CLC avec la durée de l’exercice (Brisswalter et coll 2000, Lepers et al. 2002, Rochette et al. 2002) et par
conséquent un rapprochement de CLC vers CEO (Vercruyssen et al.
2001).
L’hypothèse neuromusculaire a souvent été proposée pour expliquer le choix d’une cadence particulière. Takaishi et al. (1996) ont montré que la CLC était proche de la cadence pour laquelle l’augmentation
de l’EMG au niveau du muscle vastus lateralis était la plus faible au
cours d’un exercice de 15 minutes réalisé à 75 % de VO2max. Cependant,
la durée relativement courte de l’exercice et l’unicité du muscle limitent
la portée de cette étude. Des travaux ultérieurs ont cependant mis en
évidence une minimisation de l’activité EMG des muscles impliqués
dans le mouvement de pédalage pour des cadences proches de la CLC
(MacIntosh et al. 2000, Vercruyssen et al. 2001). Les réponses musculaires
aux changements de cadence semblent cependant dépendre fortement
du type de muscle, en particulier de son caractère mono ou bi-articulaire
(Sarre et al. 2003).
L’utilisation de cadences faibles ou élevées en cyclisme sollicitent
les muscles extenseurs dans des parties très différentes de leur relation
force-vitesse. A des cadences faibles correspondent des niveaux de tensions musculaires importants et des vitesses de raccourcissement faibles. Le recrutement des unités motrices en fonction de la cadence utilisée est cependant sujet à questionnement. En effet, d’après les travaux
d’Ahlquist et al. (1992) basés sur l’analyse de la déplétion glycogénique
des fibres musculaires, l’utilisation de cadence faible (50 rpm versus
100 rpm) solliciteraient préférentiellement les unités motrices de types
II rapides. Ce résultat suggère qu’en cyclisme, le niveau de force à développer (et non la vitesse de contraction) semble déterminer le degré de
recrutement des fibres rapides. Puisque la fréquence de pédalage en
cyclisme influence a priori le patron de recrutement des différentes unités motrices, il semble raisonnable de penser que l’utilisation prolongée
d’une cadence particulière puisse influencer les paramètres de la fatigue
neuromusculaire.
Malgré l’abondance des études sur la fréquence de pédalage en
cyclisme dans la littérature, les effets de fréquence de pédalage sur la
fatigue musculaire ont très peu été étudiés. Certains travaux ont mis en
évidence une augmentation de l’EMG de certains muscles au cours
d’exercices prolongés réalisés à différentes cadences (Takaishi et al.
1994, Vercruyssen et al. 2001, Sarre et al. sous presse), d’autres par contre
ont observé une relative stabilité de l’activité EMG pendant le pédalage
au cours de l’exercice (St Clair Gibson et al. 2000). Des études récentes
tendent à monter que la cadence de pédalage n’aurait pas d’effet sur les
propriétés contractiles et nerveuses des muscles extenseurs du genou.
En effet, les altérations neuromusculaires consécutives à un exercice
prolongé seraient identiques quelle que soit la cadence utilisée. Lepers
et al. (2001) ont montré que pour un exercice de 30 min, réalisé à 3 fréquences de pédalage différentes : cadence librement choisie CLC, CLC
– 20 % et CLC + 20 %, la fatigue neuromusculaire était identique. D’une
part, les réductions de forces maximales isométriques et concentriques
(120°.s-1) étaient similaires entre les 3 conditions ; d’autre part les altérations périphériques du couplage E-C et du niveau d’activation centrale
ne différaient pas en fonction de la cadence utilisée. Néanmoins, une
absence de réduction significative du rapport RMS.M–1 pour les muscles
vastii pour la situation à cadence élevée (CLC+20 %) suggère que la
commande centrale serait moins altérée avec l’utilisation d’une fréquence gestuelle élevée et donc que la participation des mécanismes
périphériques dans la réduction de la force maximale serait plus importante. La durée de l’exercice relativement courte (30 minutes) et l’intervalle réduit de cadences testées (69 à 103 rpm en moyenne) représente
une limite à cette étude. Cependant, une étude plus récente menée dans
le même laboratoire (Sarre et al. sous presse) tend aussi à montrer une
absence d’effet cadence sur la fatigue musculaire lorsque l’on demande
à des sujets entraînés de réaliser 3 exercices d’une heure à 65 % de PMA
à 3 cadences différentes : CLC, 50, et 110 rpm. Les altérations périphériques et centrales sont voisines pour ces 3 conditions. On note cependant
une tendance non significative à une altération de la force maximale et
du niveau d’activation plus marquée à 110 rpm comparativement à 50
et CLC. Ce résultat non significatif va cependant à l’encontre de ceux
trouvés par Lepers et al. (2001) qui suggéraient que des cadences élevées
minimiserait le fatigue centrale.
L’ensemble de ces résultats tendent à montrer que, contrairement à
l’idée selon laquelle l’utilisation de cadences différentes pourrait
influencer le niveau de fatigue, les altérations neuromusculaires consécutives à des exercices prolongés semblent indépendantes de la fréquence de pédalage. Ces observations demandent cependant à être confirmées par des études complémentaires sur les interactions entre la
fatigue neuromusculaire et la cadence en cyclisme, en particulier
l’influence du niveau des sujets reste à tester.
Effet de la fatigue sur le patron de pédalage
Le patron de pédalage en cyclisme caractérisé par des paramètres mécaniques (forces d’application sur les pédales) et neuromusculaires (recrutement des muscles synergistes) est fortement dépendant de la puissance à développer et de la cadence de pédalage. Les modifications
éventuelles du patron de pédalage sous l’effet de la fatigue ont été très
peu étudiées. Récemment, Sanderson et Black (2003) ont mis en évidence des altérations du patron d’application des forces de pédalage à
la fin d’un exercice réalisé à 80 % de la PMA jusqu’à épuisement (13 ± 5
min). Ces altérations se traduisaient par une augmentation de la force
effective et des impulsions angulaires positives et négatives dans la dernière minute précédant l’arrêt de l’exercice. Les cyclistes devenaient
donc moins efficaces dans la phase de remontée de la pédale, ce qui
nécessitait un accroissement des forces pendant la phase propulsive.
L’analyse cinématique faisait apparaître quelques modifications angulaires au niveau de la cuisse et de la jambe. Les moments articulaires
maximaux de flexion plantaire au niveau de la cheville et d’extension au
niveau de la hanche étaient aussi plus élevés en fin d’exercice. Malgré la
durée réduite du test et un temps d’épuisement relativement court pour
un effort réalisé à 80 % de la PMA, ces résultats sont originaux et sont
les premiers à montrer une altération mécanique du patron locomoteur
en cyclisme, patron qui est souvent considéré comme relativement
rigide. Il aurait été intéressant de corréler ces altérations du patron
mécanique avec des indices de fatigue musculaire. On peut à présent
s’interroger sur les modifications éventuelles du patron de pédalage
lors d’exercices prolongés sous-maximaux non exhaustifs. Les travaux
de Sarre et al. (sous presse) tendent à montrer que les patrons neuromusculaire et mécanique objectivé par le travail positif et négatif lors d’un
cycle de pédalage restent stable au cours d’un exercice d’une heure à
65 % de PMÀ même quand celui-ci est réalisé à des cadences faibles
(50 rpm) ou élevées (110 rpm).
Conclusion et perspectives
L’exercice prolongé de cyclisme de 30 min à plusieurs heures entraîne
une réduction de la capacité de production de force maximale au niveau
des muscles extenseurs du genou, témoignant de la présence d’une fatigue neuromusculaire. Ces observations corroborent les résultats des
études montrant une diminution de la puissance maximale produite
lors de sprints répétés à intervalles réguliers lors d’exercices prolongés.
Les altérations de l’activité neuromusculaire au cours d’exercices prolongés peuvent être dues à des modifications de la commande en provenance des structures corticales supérieures et/ou en réponse à des
signaux afférents en relation avec des changements structurels et métaboliques dans le muscle. La fatigue centrale se traduisant par une diminution de la commande motrice semble agir de façon plus prononcée en
fin d’exercice quand celui-ci se prolonge plusieurs heures, sans que l’on
ne puisse actuellement dissocier les facteurs spinaux versus supraspinaux. Des travaux récents tendent à montrer que la cadence de pédalage n’influence pas directement l’altération des propriétés neuromusculaires. De plus, malgré la présence d’une fatigue neuromusculaire
limitant les efforts maximaux tels que les sprints, il semble que les
cyclistes soient capables de conserver un patron de pédalage relativement stable au cours d’exercices sous-maximaux prolongés à condition
que ceux-ci ne soient pas prolongés jusqu’à épuisement. Enfin, la comparaison avec d’autres disciplines comme la course à pied montre la
limite de l’étude seule de la secousse musculaire comme indice de fatigue périphérique, celle-ci pouvant être potentialisée alors même que la
force maximale est diminuée. L’analyse de l’onde M et de la force tétanique évoquée semblent alors indispensable.
L’ensemble de ces résultats pourront être pris en considération
dans le cadre des études concernant les épreuves combinées comme le
triathlon ou le duathlon, où un exercice de course à pied fait suite à un
effort prolongé de cyclisme. Les altérations subséquentes observées lors
de l’exercice de course à pied sont à mettre en relation avec la fatigue
générée par la partie cycliste précédente (Hausswirth et Lehenaff 2001).
Il reste cependant à analyser les modifications éventuelles des coordinations musculaires entre les muscles synergistes d’une part et les
muscles antagonistes d’autre part qui permettent au cycliste de maintenir un niveau d’intensité identique durant plusieurs heures sans dégradation du patron locomoteur. Enfin, des études visant à mieux comprendre la cinétique d’intervention de la fatigue lors d’exercices de
cyclismes prolongés et le rôle de la fréquence de pédalage sont encore
nécessaires.
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[(1)]
INSERM ERM 207, Faculté des Sciences du Sport, BP 27877,21078 DIJON Cedex, Tel :
+33.3.80.39.67.60, Fax : +33.3.80.39.67.02, Email :
romuald. lepers@ u-bourgogne. fr.
[(2)]
Laboratoire de physiologie de l’exercice, Hôpital St-Jean-Bonnefonds, Pav. 12,42055
Saint-Etienne Cedex 2.