Entraînement aérobie : du laboratoire au terrain

Jours après jours, lors des entraînements ou des compétitions, nos sportifs donnent le meilleur d'eux même pour pousser un peu plus loin leurs performances. Lors du suivi de l'entraînement et de la multitude de tests effectués en laboratoire, il faut savoir interpréter les variations des paramètres physiologiques qui entrent en jeu lors de l'exercice afin d'anticiper et d'optimiser leur entraînement sur le terrain au meilleur de leurs capacités, tout en tenant compte des variations individuelles et disciplinaires.

I - Introduction

L'accomplissement d'un exercice physique exige l'ajustement de nombreuses fonctions de l'organisme dont la sollicitation dépend de l'intensité, de la durée, de la fréquence de l'exercice ainsi que des caractéristiques de l'activité pratiquée. L'individu semble s'adapter ainsi aux diverses sollicitations mécaniques et physiologiques auxquelles il est confronté. Cette adaptation à l'effort n'affecte que les appareils et systèmes sollicités répondant inévitablement aux principes de spécificité et de surcharge.

L'adaptation per et/ou post-exercice peut être de type fonctionnel et caractérisée par des modifications de l'efficacité et du fonctionnement des tissus, systèmes ou appareils. Cette adaptation est reliée à une adaptation structurale, caractérisée par des modifications du nombre ou du volume des unités organiques nécessaires à la réalisation de l'activité physique. L'analyse des adaptations à l'exercice envisage ainsi les limites de l'aptitude physique de l'athlète devant la performance.

figure 1

variations de la fréquence cardiaque et de la consommation d’oxygène lors d’un test d’intensité croissante

II - Aptitude physique et consommation maximale d'oxygène

L'aptitude physique d'un individu comprend plusieurs composantes ; la principale est l'aptitude bio-énergétique qui caractérise la capacité à produire de l'énergie mécanique à partir d'autres sources d'énergie en présence ou non d'oxygène. L'aptitude physique dépend aussi d'autres facteurs :
o biométriques (poids, taille, masse maigre) ;
o biomécaniques, liés aux propriétés mécaniques de l'appareil ostéo-musculo-tendineux ;
o neuro-musculaires, intervenant dans la coordination du geste, sa précision et l'équilibre ;
o psychologiques, où la motivation et la résistance aux sensations pénibles voire douloureuses jouent un rôle important.

Ce schéma, bien que simplificateur, permet de constater que l'on ne peut définir un test univoque de laboratoire ou de terrain prenant en compte toutes les composantes de l'aptitude physique. Cependant, de nombreuses études ont pu montrer que la consommation maximale d'oxygène (VO2max) est un bon indice de l'aptitude bio-énergétique aux exercices sollicitant prioritairement la source d'énergie aérobie. La VO2max représente la quantité maximale d'oxygène que l'organisme peut prélever au niveau des poumons, transporter et consommer à l'échelon tissulaire par unité de temps. Le rendement élevé des processus oxydatifs de resynthèse de l'ATP détermine la place importante de ce type de métabolisme dans l'ensemble des mécanismes producteurs d'énergie. Le métabolisme de type aérobie prédomine largement au cours des exercices sous-maximaux à puissance constante.
L'estimation de la VO2max est donc un temps indispensable pour l'appréciation de l'aptitude physique d'un individu. L'évolution de ce paramètre physiologique sous l'effet de l'entraînement en endurance dépend de plusieurs facteurs actuellement bien définis :
o une augmentation des capacités cardiaques (2) ;
o une augmentation de la capacité de transport de l'oxygène (Astrand, 1970) ;
o des modifications de structure musculaire (3) ;
o une augmentation du lit capillaire (4).

La méthode de mesure consiste à soumettre un individu à un effort progressivement croissant sur un ergomètre (ergocycle, tapis roulant, rameur). La VO2 croît en fonction de l'intensité jusqu'à un maximum, et à partir de ce point, il est possible d'augmenter la puissance travail sans augmenter la VO2. Ce critère est celui qui permet majoritairement de déterminer la VO2max. La mesure de celle-ci est donc, dans l'état actuel des choses, au plan théorique comme au plan expérimental, le meilleur moyen d'explorer l'aptitude physique à l'effort. Bien évidemment, elle demeure une méthode lourde de laboratoire ne pouvant servir :
o ni à déterminer l'aptitude dans une collectivité,
o ni à évaluer les capacités d'un sujet déjà un peu âgé.

C'est pourquoi un certain nombre d'épreuves fonctionnelles plus simples à mettre en œuvre et moins pénibles à subir par le sujet testé ont été mises au point. On conçoit alors que la fréquence cardiaque (FC), comme la consommation d'oxygène (VO2), croît proportionnellement à la puissance fournie jusqu'à un plateau correspondant à la puissance maximale du métabolisme aérobie (PMA) et donc la vitesse maximale aérobie (VMA). Nous obtenons alors une courbe (Fig. 1) où FC et VO2 augmentent linéairement avec la vitesse de course.

III - Du test de laboratoire à l'application concrète sur le terrain

Le choix d'ergomètres

Les ergomètres le plus souvent utilisés sont le tapis roulant et l'ergocycle, mais il existe également des ergomètres adaptés spécifiquement à l'exercice pratiqué par l'athlète (i.e. machine à ramer, manivelles, ergomètre de kayak). Les effets de l'entraînement sur les facteurs locaux limitant la VO2max et les variations interindividuelles dans le développement des différents groupes musculaires pourraient expliquer la spécificité de la VO2max. Ainsi, la mise en évidence des effets de l'entraînement sur la VO2max nécessite de faire réaliser des exercices proches de ceux des séances d'entraînement. C'est ainsi que, pour les coureurs à pied, il est préférable d'utiliser le tapis roulant plutôt que la bicyclette ergométrique. En effet, la finalité de cette épreuve est de connaître la vitesse maximale de resynthèse de l'ATP au niveau des muscles spécifiques de la course. De plus, pour une sollicitation maximale du système cardiovasculaire, il est nécessaire d'effectuer un exercice mettant en jeu une masse musculaire importante. Or les valeurs de VO2max les plus élevées, pour des personnes maîtrisant la course sur tapis roulant, sont obtenues en course.

L'interprétation des résultats de tests progressifs

figure2

évolution de la concentration de lactates sanguins au cours d’un test progressif

o Cas particulier du seuil d'accumulation d'acide lactique (SAAL) Bien qu'importante, la VO2max ne constitue qu'un des facteurs déterminant le succès au cours d'exercices prolongés. Ceci est illustré par la large variation de performance au sein d'un groupe possédant des VO2max très proches et vice-versa. Par conséquent, à l'intérieur d'un groupe de coureurs ayant atteint un niveau de performance similaire, il se peut qu'aucune corrélation entre la VO2max et la performance ne soit retrouvée (5 et 6). D'autres facteurs semblent manifestement compenser clairement les valeurs relativement peu élevées de VO2max (il s'agit de la vitesse atteinte au SAAL).

Depuis quelques années, il apparaît que certains paramètres métaboliques mesurés au cours d'un exercice progressif pourraient être de fidèles indicateurs de la capacité d'endurance. Différents termes comme le "seuil anaérobie", le "seuil d'accumulation d'acide lactique", le "seuil à 4 mM" ont été introduits par différents auteurs pour caractériser la vitesse submaximale de course. Cette vitesse au seuil est également largement utilisée par l'ensemble des entraîneurs et scientifiques afin de planifier précisément les entraînements des athlètes.

L'étude de la zone transitionnelle, où le métabolisme aérobie n'est plus capable à lui seul de fournir l'énergie nécessaire (Fig. 2, courbe verte) à la poursuite de l'exercice, est à l'origine du concept de seuil anaérobie ou SAAL (7). Il représente l'intensité d'exercice au-delà de laquelle la production de lactate s'élève de façon exponentielle. Reposant sur des données statistiques, la lactatémie de 4 mM est la valeur correspondant au seuil, au-delà duquel la glycolyse anaérobie intervient de plus en plus pour fournir un débit énergétique élevé par recrutement des fibres musculaires IIb (rapides glycolytiques) (8).

De façon concomitante à l'élévation brutale du lactate, se produit une cassure de la courbe ventilatoire (Fig. 2, courbe rouge) marquée par une hyperventilation, une augmentation de la fraction de CO2 dans l'air expiré et une augmentation du quotient respiratoire (seuil ventilatoire).

figure3

effets de l’entraînement en endurance sur le niveau de seuil lactique

o L'intérêt de la mesure du seuil lactique
En pratique sportive, l'intérêt de la mesure du seuil lactique ou SAAL est double : - d'une part, pour la prédiction de la performance : la vitesse de course au SAAL a été étroitement corrélée au niveau des temps réalisés sur des épreuves de course de 10 000 m et plus encore de marathon (9 et 10) ; - d'autre part, il permet une mesure de l'aptitude à l'endurance. Le résultat d'un entraînement en endurance intense élève en effet le seuil exprimé en pourcentage de VO2max. Chez des athlètes peu entraînés, il est déjà atteint entre 70-75 % de VO2max, tandis que chez des athlètes très entraînés, il n'est atteint qu'à 90 % de VO2max (Fig. 3).

Par conséquent, il existe un haut niveau d'endurance quand le seuil lactique commence à être dépassé pour 80-90 % de VO2max. Dans chaque cas individuel, l'atteinte de ce seuil peut être repérée par rapport à la puissance fournie, à la vitesse de course, à la consommation d'oxygène et surtout par rapport à la fréquence cardiaque. La mesure en laboratoire permet alors de connaître un critère d'intensité relative et optimale d'un entraînement.

Les méthodes d'entraînement à partir des résultats de laboratoire

Chaque entraîneur ou médecin-physiologiste détermine ses méthodes en fonction d'une classification qui lui est propre. Pour les médecins-physiologistes, la nature, l'intensité et le volume d'effort seront les principaux paramètres qui détermineront les effets de l'entraînement. En revanche, l'entraîneur aura tendance à introduire beaucoup plus de nuances dans ses conceptions par la connaissance particulière de ses athlètes. L'évolution de l'entraînement a favorisé une prolifération du vocabulaire technique tout en respectant les principes de base de la physiologie de l'effort. Si l'on admet l'intensité d'effort comme unité de référence, nous proposons six zones de travail comprises au travers de deux notions particulières que sont la puissance maximale du métabolisme aérobie (PMA) représentée comme étant la faculté à résister à la fatigue, et la capacité énergétique aérobie (CEA) identifiée par la faculté à durer dans le temps d'exercice. L'ensemble des résultats de tests progressifs triangulaires de laboratoire servant à objectiver la consommation maximale d'oxygène peut donc être synthétisé pour faciliter l'accès à la planification de l'entraînement de l'athlète testé (Fig. 4).

figure4

utilisation des différentes intensités à partir du test progressif de laboratoire

figure5

adaptation de la fréquence cardiaque après un entraînement spécifique

Pour améliorer la condition physique de sujets non-entraînés à un haut niveau de réalisation, certaines conditions spécifiques peuvent être mises en place dans un souci de progrès rapide :
o l'intensité d'entraînement doit varier entre 60 et 90 % de la réserve de la fréquence cardiaque (différence entre FCmax et FCrepos). Ce niveau correspond à 50 et 85 % de VO2max. Il a été clairement démontré que des entraînements à cette intensité de travail pouvaient entraîner une diminution de la fréquence cardiaque lors de l'effort (Fig. 5) (11).
o Si, pour les sujets non-entraînés, le stimulus se situe à 60 % de FCmax, il est de 80 % pour les sujets sportifs déjà entraînés. Aussi longtemps que la fréquence cardiaque se situe dans la zone dite réceptive, l'effet de l'entraînement aura une influence sur le système cardio-vasculaire ;
o le nombre optimal d'entraînements varie entre 3 et 5 jours par semaine. A moins de 2 séances hebdomadaires, on ne peut envisager de progrès durables ;
o continuer à s'entraîner de façon régulière est obligatoire pour maintenir l'effet de l'entraînement. Dès l'arrêt de celui-ci, le niveau de performance diminue de 27 % après deux à trois semaines de repos (Fig. 6) (12) ;
o nous avons coutume en pratique d'exprimer l'intensité d'effort en pourcentage de FCmax ou de VO2max. Il faut toujours garder à l'esprit les interactions respectives entre intensité et quantité d'entraînement. Pour obtenir une adaptation suffisante, il faut nécessairement augmenter la quantité d'entraînement si l'intensité est diminuée.

figure6

variation de VO2max après une période de repos de 21 jours

A l'inverse, il ne sert à rein de vouloir répéter trop longtemps des exercices très intenses. Il s'agit d'une combinaison entre la borne dite supérieure (vitesse réalisée sur le dernier palier complet du test d'évaluation) et la borne inférieure (environ 80 à 85 % de VMA) (Fig. 7).

figure7

représentation de la zone de travail maximale aérobie et exercices recommandés

IV - Conclusion

Les tests d'évaluation de la consommation maximale d'oxygène servent conjointement aux scientifiques et aux entraîneurs dans un souci de programmation à court et long terme de l'entraînement de l'athlète. La valeur de VO2max n'est qu'indicative d'une possible performance dans le domaine énergétique aérobie. La prise en considération des valeurs d'intensités sous-maximales (i.e. seuil lactique) aidera à la planification générale des exercices de travail. Les phénomènes adaptatifs qui résultent des différentes formes d'entraînement sont pluriels et peuvent se faire par une combinaison entre le travail continu modéré et le travail intermittent intense avec gestion particulière du temps de récupération.

Un entraînement excessif consistera en un entraînement beaucoup trop volumineux ou beaucoup trop intense, ou les deux. Il conduira à l'installation d'une fatigue chronique réversible avec le repos. L'augmentation du volume d'entraînement pourra se faire, soit par l'augmentation de la durée d'effort, soit par la fréquence des entraînements. Cependant, il est bien établi que c'est l'intensité d'entraînement qui déterminera les adaptations spécifiques nécessaires à la réalisation d'une performance en compétition