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Pédalage à 90 % de la puissance maximale aérobie et activité électromyographique du quadriceps femoris
Science & Sports 18 (2003) 48–50 www.elsevier.com/locate/scispo
Communication brève
Pédalage à 90 % de la puissance maximale aérobie et activité électromyographique du quadriceps femoris Constant-rate-high-intensity exercise and EMG P. Germain a,b,*, C. Cleuziou a, R. Halin a, O. Buttelli a, Z. Taoutaou b, P. Obert c a Orléans université, faculté du sport et de l’éducation physique, laboratoire de la performance motrice, équipe activité motrice et conception ergonomique (AMCO), rue de Vendôme, BP 6237, 45062 Orléans cedex 2, France b INFS/STS de Dély Ibrahim, laboratoire Anthropos, cité du 19-juin, BP 71, El Biar, Algérie c Université d’Avignon, UFR sciences exactes et sciences de la nature, département Staps, 33, rue Louis-Pasteur, 84000 Avignon, France
Résumé Introduction – La fatigue musculaire se caractérise par une moindre contribution à l’effort des unités motrices rapides. Paradoxalement le phénomène de dérive lente de la consommation d’oxygène s’expliquerait par une élévation du recrutement des fibres rapides. Synthèse des faits – Pour éclairer cette contradiction, durant 6 min de pédalage à 90 % de la PMA, nous avons analysé, l’activité électromyographique des quadriceps femoris. On observe une décroissance moyenne de l’EMG intégrée normalisée de 0,99 à 0,86 v alors que les MDF et MPF commencent par baisser (respectivement de 82,5 à 81,25 Hz et de 108,75 à 107 Hz) avant de s’élever graduellement (respectivement de 81,25 à 84,5 Hz et de 107 à 109,25 Hz). Conclusion – Nos résultats mettent donc en évidence une évolution de la fréquence moyenne de décharge des unités motrices vers les hautes fréquences, ce qui appuie l’hypothèse d’une élévation progressive du recrutement des unités motrices rapides durant la dérive lente de la consommation d’oxygène. © 2003 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS. Tous droits réservés. Abstract Introduction – In one hand, during a fatiguing exercise the analysis of the myoelectric signal support the hypothesis of an increase of proportional number of active slow motor units. In the other hand, the slow component of oxygen consumption during a constant-rate-highintensity exercise, seems to dependent on a progressive recruitment of fast-twitch fibers. Methods and results – In front of this contradiction, the purpose of this study is to investigate the EMG activity of quadriceps femoris muscle during a 90% of PMA cycling exercise. Two main results were observed: 1) Integrated EMG decreased all exercise long (from 0,99 to 0,86 v); 2) MPF and MDF decreased in the first part of the exercise (respectively from 82,5 to 81,25 Hz and from 108,75 to 107 Hz), followed by a progressive increase (respectively from 81,25 to 84,5 Hz and from 107 to 109,25 Hz). Conclusion – Our results suggest a progression in the average frequency of the motor unit discharge towards the high frequencies, which coheres with the hypothesis of the progressive recruitment of fast-twitch fibers during the V ~ O2 slow component. © 2003 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS. All rights reserved. Mots clés : Exercice intensif ; Consommation d’oxygène ; Electromyographie Keywords: Intensive exercise; ElectroMyoGraphy; Oxygen conscemption
* Auteur correspondant. Adresse e-mail : [email protected] (P. Germain). © 2003 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS. Tous droits réservés. DOI: 1 0 . 1 0 1 6 / S 0 7 6 5 - 1 5 9 7 ( 0 2 ) 0 0 0 7 3 - 4
P. Germain et al. / Science & Sports 18 (2003) 48–50
1. Introduction L’électromyographie de surface utilisée en biomécanique apporte des informations fonctionnelles sur le système neuromusculaire [2]. Une élévation des débits myoélectriques et la compression du spectre de puissance du signal dans les basses fréquences caractérisent, par exemple, la fatigue musculaire. Une plus grande contribution au signal des unités motrices lentes expliquerait ce phénomène. Il est alors paradoxale lors d’un effort cyclique intensif à puissance constante, malgré l’hypothèse d’une élévation des besoins en ATP indépendant de la typologie musculaire [4], que la dérive de la consommation d’oxygène observée puisse être expliquée par un plus grand recrutement des unités motrices rapides [1]. Dans le contexte de cette ambiguïté physiologique, l’étude qualitative du signal électromyographique des muscles moteurs sollicités pourrait contribuer à apporter quelques éléments d’informations. Cependant, bien que les paramétrages fréquentiels du signal EMG soient aujourd’hui classiquement utilisés lors des efforts sur ergocycle, la faible durée des bouffées d’activité, la complexité du signal, la lourdeur des méthodes et les fréquences d’échantillonnage des outils rendent délicates les comparaisons des valeurs spectrales. Pour cette raison, lors d’efforts cycliques isométriques maximaux et infra-maximaux, nous avions étudié les caractéristiques d’un traitement global [3] comparé à un traitement unitaire moyenné et avions mis en évidence d’une part les faibles différences induites sur les paramètres spectraux et d’autre part quelques intérêts de cette nouvelle méthode. Sur la base de cette problématique d’ordre physiologique et de cette considération d’ordre méthodologique, afin de mieux comprendre le problème posé par la dérive lente de consommation d’oxygène et de mettre en évidence une éventuelle modification de stratégie motrice, nous avons analysé l’activité électromyographique des muscles moteurs, durant 6 min de pédalage à 90 % de la PMA.
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surées pour contrôler le bon déroulement de l’épreuve. À l’issue du test une période de 8 min de récupération active était aménagée (pédalage sans charge). 2.2. Le recueil du signal EMG Des électrodes étaient placées sur les faisceaux vastes externes et vastes internes des quadriceps femoris contractés des cuisses droites et gauches, parallèlement aux fibres musculaires, entre le point moteur (estimé sur chaque individu par électrostimulation) et l’insertion tendineuse distale (une électrode de référence placée sur la rotule). Les signaux EMG analogiques étaient recueillis avec une préamplification périphérique (gain de 600) par des paires d’électrodes de surface Ag/AgCl de 4 mm de diamètre accolées. Les signaux étaient ensuite d’une part, acquis au niveau d’une unité centrale Myodata (Mazet Electronique, France) avec un gain réglable par pas de 8, de 1 à 128 et d’autre part, convertis en données numériques stockées sur un ordinateur personnel. La bande passante du signal était réglée entre 0 et 400 Hz à 3 db, pour une fréquence d’échantillonnage de 1024 Hz. Le taux de réjection du mode commun était de 100 décibels, rendant ainsi le bruit de fond négligeable.
2. Matériel et méthodes Sept sujets masculins en bonne condition physique ont participé à cette étude. Ils avaient en moyenne un âge de 22 ans (DS : 4), une taille de 179 cm (DS : 3) et un poids de 66 kg (DS : 2,5). Chaque sujet avait effectué un test quelques jours avant l’expérimentation afin de définir (sur un ergocycle à friction Monark) pour une fréquence de pédalage de 80 rpm la résistance mécanique externe nécessaire à engendrer un effort physiologique à 90 % de sa puissance maximale aérobie (PMA).
Fig. 1. Évolution moyenne de l’EMGi normalisée durant les dix périodes du test.
2.1. Le protocole expérimental Après une première phase de 6 min de pédalage sans résistance mécanique surajoutée, les sujets réalisaient 6 min d’un test à 90 % de leur PMA. La consommation d’oxygène, la fréquence cardiaque et la lactatémie sanguine étaient me-
Fig. 2. Évolutions moyennes de la MPF à gauche et de la MDF à droite durant les dix périodes du test.
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2.3. Traitement du signal L’activité électromyographique des quadriceps femoris enregistrée durant le test était fractionnée en 10 fenêtres de 36 s et traitée selon la méthode globale par 10 calculs temporels (EMG intégrée) et fréquentiels (MPF et MDF) successifs, au moyen du logiciel Me 12 F (Mazet Electronique, France). Les valeurs temporelles étaient normalisées à des fins de comparaisons interindividuelles, par une division de chaque valeur individuelle par le maximum individuel. 2.4. Le traitement statistique Les traitements statistiques étaient effectués à l’aide du logiciel Sigma Stat (Plug-in Document Editor). Les comparaisons de paramètres EMG étaient réalisées par des tests de Student pour séries appariées. Le seuil minimal de significativité était fixé à p < 0,05. 3. Résultats
ensemble vont dans le sens inverse des incidences classiques d’une fatigue musculaire. Par ailleurs, une analyse détaillée de la cinétique des MDF et MPF fait apparaître, comme lors de la course à pied [1], une courte baisse puis une élévation. Nos résultats soutiennent donc l’hypothèse que durant la fatigue musculaire induite par un exercice cyclique intense après une première période (de l’ordre d’une minute) pourrait s’opérer une élévation progressive du recrutement des unités motrices rapides qui contribuerait à expliquer la dérive lente de la consommation d’oxygène. Enfin sur un plan méthodologique, la forte concordance de nos résultats avec ceux obtenus par des méthodes de traitement plus classiques confirme, après une première phase de validation pour des efforts isométriques, les possibilités d’utilisation de la méthode globale. En ce sens cette étude contribue à faire évoluer les méthodes utilisées pour l’étude du signal électromyographique lors d’exercices cycliques et permet d’envisager une utilisation simplifiée de l’électromyographie lors des tests d’efforts. Cette expérimentation s’inscrit dans le cadre d’un programme de recherche ayant été autorisé le 25 janvier 2000 par le CCPPRB de Tours.
Entre les instants t1 et t10 nos résultats mettent en évidence que l’EMGi normalisée décroît significativement (p < 0,01) en moyenne de 0,99 à 0,86 v (y = -0,0123 x + 0,9712 ; r2 = 0,87) (Fig. 1). Par ailleurs, entre les instants t1 et t2 les MDF et MPF baissent significativement (p < 0,01) respectivement de 82,5 Hz à 81,25 Hz et de 108,75 Hz à 107 Hz avant de s’élever graduellement et significativement (p < 0,01) entre t2 et t10 respectivement de 81,25 à 84,5 Hz (Équation de la régression linéaire : y = 0,34 ; x = 80,9 r2 = 0,8) et de 107 à 109,25 Hz (Équation de la régression linéaire : y = 0,37 x +106,36 r2 = 0,95) (Fig. 2).
[1]
Borrani F, Candau R, Millet GY, Perrey S, Fuchslocher J, Rouillon JD. Is the VO2 slow component dependent on progressive recruitment of fast-twitch fibers in well-trained runners? J Appl Physiol 2001;90(6): 2212–20.
[2]
De Luca CJ. The use of surface Electromyography in biomechanics. J Appl Biomech 1997;13:135–63.
[3]
Germain Ph, Buttelli O, Halin R. Two different processing for MPF or MDF calculation during intermittent isometric exercise. Med Sci Sports Exerc 2003 (en cours de révision).
4. Discussion
[4]
Scheuermann BW, Hoelting BD, Noble ML, Barstow TJ. The slow component of (2) uptake is not accompanied by changes in muscle EMG during repeated bouts of heavy exercise in humans. J Physiol 2001;15(531-pt1):245–56.
Nous observons donc une baisse du paramètre temporel et une élévation des paramètres spectraux (entre t1 et t10) qui
Références
Communication brève
Pédalage à 90 % de la puissance maximale aérobie et activité électromyographique du quadriceps femoris Constant-rate-high-intensity exercise and EMG P. Germain a,b,*, C. Cleuziou a, R. Halin a, O. Buttelli a, Z. Taoutaou b, P. Obert c a Orléans université, faculté du sport et de l’éducation physique, laboratoire de la performance motrice, équipe activité motrice et conception ergonomique (AMCO), rue de Vendôme, BP 6237, 45062 Orléans cedex 2, France b INFS/STS de Dély Ibrahim, laboratoire Anthropos, cité du 19-juin, BP 71, El Biar, Algérie c Université d’Avignon, UFR sciences exactes et sciences de la nature, département Staps, 33, rue Louis-Pasteur, 84000 Avignon, France
Résumé Introduction – La fatigue musculaire se caractérise par une moindre contribution à l’effort des unités motrices rapides. Paradoxalement le phénomène de dérive lente de la consommation d’oxygène s’expliquerait par une élévation du recrutement des fibres rapides. Synthèse des faits – Pour éclairer cette contradiction, durant 6 min de pédalage à 90 % de la PMA, nous avons analysé, l’activité électromyographique des quadriceps femoris. On observe une décroissance moyenne de l’EMG intégrée normalisée de 0,99 à 0,86 v alors que les MDF et MPF commencent par baisser (respectivement de 82,5 à 81,25 Hz et de 108,75 à 107 Hz) avant de s’élever graduellement (respectivement de 81,25 à 84,5 Hz et de 107 à 109,25 Hz). Conclusion – Nos résultats mettent donc en évidence une évolution de la fréquence moyenne de décharge des unités motrices vers les hautes fréquences, ce qui appuie l’hypothèse d’une élévation progressive du recrutement des unités motrices rapides durant la dérive lente de la consommation d’oxygène. © 2003 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS. Tous droits réservés. Abstract Introduction – In one hand, during a fatiguing exercise the analysis of the myoelectric signal support the hypothesis of an increase of proportional number of active slow motor units. In the other hand, the slow component of oxygen consumption during a constant-rate-highintensity exercise, seems to dependent on a progressive recruitment of fast-twitch fibers. Methods and results – In front of this contradiction, the purpose of this study is to investigate the EMG activity of quadriceps femoris muscle during a 90% of PMA cycling exercise. Two main results were observed: 1) Integrated EMG decreased all exercise long (from 0,99 to 0,86 v); 2) MPF and MDF decreased in the first part of the exercise (respectively from 82,5 to 81,25 Hz and from 108,75 to 107 Hz), followed by a progressive increase (respectively from 81,25 to 84,5 Hz and from 107 to 109,25 Hz). Conclusion – Our results suggest a progression in the average frequency of the motor unit discharge towards the high frequencies, which coheres with the hypothesis of the progressive recruitment of fast-twitch fibers during the V ~ O2 slow component. © 2003 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS. All rights reserved. Mots clés : Exercice intensif ; Consommation d’oxygène ; Electromyographie Keywords: Intensive exercise; ElectroMyoGraphy; Oxygen conscemption
* Auteur correspondant. Adresse e-mail : [email protected] (P. Germain). © 2003 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS. Tous droits réservés. DOI: 1 0 . 1 0 1 6 / S 0 7 6 5 - 1 5 9 7 ( 0 2 ) 0 0 0 7 3 - 4
P. Germain et al. / Science & Sports 18 (2003) 48–50
1. Introduction L’électromyographie de surface utilisée en biomécanique apporte des informations fonctionnelles sur le système neuromusculaire [2]. Une élévation des débits myoélectriques et la compression du spectre de puissance du signal dans les basses fréquences caractérisent, par exemple, la fatigue musculaire. Une plus grande contribution au signal des unités motrices lentes expliquerait ce phénomène. Il est alors paradoxale lors d’un effort cyclique intensif à puissance constante, malgré l’hypothèse d’une élévation des besoins en ATP indépendant de la typologie musculaire [4], que la dérive de la consommation d’oxygène observée puisse être expliquée par un plus grand recrutement des unités motrices rapides [1]. Dans le contexte de cette ambiguïté physiologique, l’étude qualitative du signal électromyographique des muscles moteurs sollicités pourrait contribuer à apporter quelques éléments d’informations. Cependant, bien que les paramétrages fréquentiels du signal EMG soient aujourd’hui classiquement utilisés lors des efforts sur ergocycle, la faible durée des bouffées d’activité, la complexité du signal, la lourdeur des méthodes et les fréquences d’échantillonnage des outils rendent délicates les comparaisons des valeurs spectrales. Pour cette raison, lors d’efforts cycliques isométriques maximaux et infra-maximaux, nous avions étudié les caractéristiques d’un traitement global [3] comparé à un traitement unitaire moyenné et avions mis en évidence d’une part les faibles différences induites sur les paramètres spectraux et d’autre part quelques intérêts de cette nouvelle méthode. Sur la base de cette problématique d’ordre physiologique et de cette considération d’ordre méthodologique, afin de mieux comprendre le problème posé par la dérive lente de consommation d’oxygène et de mettre en évidence une éventuelle modification de stratégie motrice, nous avons analysé l’activité électromyographique des muscles moteurs, durant 6 min de pédalage à 90 % de la PMA.
49
surées pour contrôler le bon déroulement de l’épreuve. À l’issue du test une période de 8 min de récupération active était aménagée (pédalage sans charge). 2.2. Le recueil du signal EMG Des électrodes étaient placées sur les faisceaux vastes externes et vastes internes des quadriceps femoris contractés des cuisses droites et gauches, parallèlement aux fibres musculaires, entre le point moteur (estimé sur chaque individu par électrostimulation) et l’insertion tendineuse distale (une électrode de référence placée sur la rotule). Les signaux EMG analogiques étaient recueillis avec une préamplification périphérique (gain de 600) par des paires d’électrodes de surface Ag/AgCl de 4 mm de diamètre accolées. Les signaux étaient ensuite d’une part, acquis au niveau d’une unité centrale Myodata (Mazet Electronique, France) avec un gain réglable par pas de 8, de 1 à 128 et d’autre part, convertis en données numériques stockées sur un ordinateur personnel. La bande passante du signal était réglée entre 0 et 400 Hz à 3 db, pour une fréquence d’échantillonnage de 1024 Hz. Le taux de réjection du mode commun était de 100 décibels, rendant ainsi le bruit de fond négligeable.
2. Matériel et méthodes Sept sujets masculins en bonne condition physique ont participé à cette étude. Ils avaient en moyenne un âge de 22 ans (DS : 4), une taille de 179 cm (DS : 3) et un poids de 66 kg (DS : 2,5). Chaque sujet avait effectué un test quelques jours avant l’expérimentation afin de définir (sur un ergocycle à friction Monark) pour une fréquence de pédalage de 80 rpm la résistance mécanique externe nécessaire à engendrer un effort physiologique à 90 % de sa puissance maximale aérobie (PMA).
Fig. 1. Évolution moyenne de l’EMGi normalisée durant les dix périodes du test.
2.1. Le protocole expérimental Après une première phase de 6 min de pédalage sans résistance mécanique surajoutée, les sujets réalisaient 6 min d’un test à 90 % de leur PMA. La consommation d’oxygène, la fréquence cardiaque et la lactatémie sanguine étaient me-
Fig. 2. Évolutions moyennes de la MPF à gauche et de la MDF à droite durant les dix périodes du test.
50
P. Germain et al. / Science & Sports 18 (2003) 48–50
2.3. Traitement du signal L’activité électromyographique des quadriceps femoris enregistrée durant le test était fractionnée en 10 fenêtres de 36 s et traitée selon la méthode globale par 10 calculs temporels (EMG intégrée) et fréquentiels (MPF et MDF) successifs, au moyen du logiciel Me 12 F (Mazet Electronique, France). Les valeurs temporelles étaient normalisées à des fins de comparaisons interindividuelles, par une division de chaque valeur individuelle par le maximum individuel. 2.4. Le traitement statistique Les traitements statistiques étaient effectués à l’aide du logiciel Sigma Stat (Plug-in Document Editor). Les comparaisons de paramètres EMG étaient réalisées par des tests de Student pour séries appariées. Le seuil minimal de significativité était fixé à p < 0,05. 3. Résultats
ensemble vont dans le sens inverse des incidences classiques d’une fatigue musculaire. Par ailleurs, une analyse détaillée de la cinétique des MDF et MPF fait apparaître, comme lors de la course à pied [1], une courte baisse puis une élévation. Nos résultats soutiennent donc l’hypothèse que durant la fatigue musculaire induite par un exercice cyclique intense après une première période (de l’ordre d’une minute) pourrait s’opérer une élévation progressive du recrutement des unités motrices rapides qui contribuerait à expliquer la dérive lente de la consommation d’oxygène. Enfin sur un plan méthodologique, la forte concordance de nos résultats avec ceux obtenus par des méthodes de traitement plus classiques confirme, après une première phase de validation pour des efforts isométriques, les possibilités d’utilisation de la méthode globale. En ce sens cette étude contribue à faire évoluer les méthodes utilisées pour l’étude du signal électromyographique lors d’exercices cycliques et permet d’envisager une utilisation simplifiée de l’électromyographie lors des tests d’efforts. Cette expérimentation s’inscrit dans le cadre d’un programme de recherche ayant été autorisé le 25 janvier 2000 par le CCPPRB de Tours.
Entre les instants t1 et t10 nos résultats mettent en évidence que l’EMGi normalisée décroît significativement (p < 0,01) en moyenne de 0,99 à 0,86 v (y = -0,0123 x + 0,9712 ; r2 = 0,87) (Fig. 1). Par ailleurs, entre les instants t1 et t2 les MDF et MPF baissent significativement (p < 0,01) respectivement de 82,5 Hz à 81,25 Hz et de 108,75 Hz à 107 Hz avant de s’élever graduellement et significativement (p < 0,01) entre t2 et t10 respectivement de 81,25 à 84,5 Hz (Équation de la régression linéaire : y = 0,34 ; x = 80,9 r2 = 0,8) et de 107 à 109,25 Hz (Équation de la régression linéaire : y = 0,37 x +106,36 r2 = 0,95) (Fig. 2).
[1]
Borrani F, Candau R, Millet GY, Perrey S, Fuchslocher J, Rouillon JD. Is the VO2 slow component dependent on progressive recruitment of fast-twitch fibers in well-trained runners? J Appl Physiol 2001;90(6): 2212–20.
[2]
De Luca CJ. The use of surface Electromyography in biomechanics. J Appl Biomech 1997;13:135–63.
[3]
Germain Ph, Buttelli O, Halin R. Two different processing for MPF or MDF calculation during intermittent isometric exercise. Med Sci Sports Exerc 2003 (en cours de révision).
4. Discussion
[4]
Scheuermann BW, Hoelting BD, Noble ML, Barstow TJ. The slow component of (2) uptake is not accompanied by changes in muscle EMG during repeated bouts of heavy exercise in humans. J Physiol 2001;15(531-pt1):245–56.
Nous observons donc une baisse du paramètre temporel et une élévation des paramètres spectraux (entre t1 et t10) qui
Références