Ce dossier explique le concept général de l'entraînement de course par le biais des systèmes cardio-vasculaire et cardio-respiratoire, et comment des changements physiologiques positifs peuvent apparaître par une approche instruite et intelligente de l'entraînement.
L'amélioration des performances en course à pied dépend de nombreux facteurs qui sont liés les uns aux autres.
En effet, l'entraînement en course à pied profite aux systèmes cardio-vasculaire et cardio-respiratoire qui à leur tour, vont améliorer les performances de course.
Cependant, il peut arriver qu'on empêche ces améliorations de se produire en négligeant ou en abusant du système musculo-squelettique par un entraînement inapproprié, trop de kilomètres parcourus trop vite. Même un entraînement intelligent peut exacerber des déséquilibres musculaires et des défauts anatomiques. L'intégration de la musculation dans un plan holistique d'amélioration des performances est donc une approche sensée à plus d'un titre. Un programme de musculation bien conçu permettra d'améliorer l'efficacité de sa course par une meilleure foulée. Un programme de course bien conçu suivant des principes simples et éprouvés ou de meilleures pratiques améliorera l'économie de course en augmentant l'efficacité cardio-vasculaire et cardio-respiratoire.
Systèmes cardio-vasculaire et cardio-respiratoire
Le système cardio-vasculaire est un système circulatoire d'alimentation sanguine qui comprend le cœur, le sang et les vaisseaux sanguins (veines et artères).
En bref, le coeur pompe le sang. Le sang est transporté depuis le coeur par les artères et revient au coeur par les veines.
Le système cardio-respiratoire comprend le coeur et les poumons. L'air est inhalé grâce à la respiration par le nez et la bouche. Le diaphragme et d'autres muscles poussent l'air dans les poumons où l'oxygène contenu dans l'air se mélange au sang.
L'interaction entre les deux systèmes se produit lorsque le coeur pompe le sang vers les poumons par les artères pulmonaires. Le sang se mélange alors à l’air (oxygène) qui a été inhalé. Le sang oxygéné retourne au coeur par les veines pulmonaires. Les artères du coeur pompent ensuite le sang, maintenant plein de globules rouges riches en oxygène, vers les muscles du corps pour permettre le mouvement.
Comment les performances s'améliorent-elles par cette interaction des systèmes cardio-vasculaire et cardio-respiratoire ?
C'est simple : plus vos systèmes cardio-vasculaire et cardio-respiratoire sont développés, plus votre corps fait circuler de sang. Une circulation sanguine plus importante signifie plus de globules rouges riches en oxygène pour alimenter vos muscles et plus de plasma pour aider à la production d'énergie par un processus appelé glycolyse.
D'autres facteurs, comme la capacité neuromusculaire, l'endurance musculaire, la force et la souplesse, entrent en ligne de compte dans l'amélioration des performances en course à pied. Associés à une base solide de systèmes cardio-thoraciques bien développés (le coeur et les poumons se trouvent dans la zone thoracique du corps, d'où l'appellation cardio-thoracique), ces autres facteurs aideront à améliorer durablement les performances. La science dont nous venons de parler devient la science de l'exercice et une base de connaissances utiles pour améliorer ses performances lorsqu'elle est appliquée à un modèle d'entraînement. Les explications suivantes sur l'entraînement sont ancrées dans l'anatomie et la physiologie des systèmes cardio-vasculaire et cardio-respiratoire.
Fonctionnement du système cardio-respiratoire
Le cœur
Le cœur est l’organe central de l’appareil circulatoire qui est l’ensemble constitué du coeur et des vaisseaux sanguins. C’est une pompe propulsant le sang dans tout l’organisme à travers les artères. Il est en relation avec l’appareil respiratoire. Le cœur permet donc l’oxygénation de toutes les cellules de tous les organes de l’organisme et l’élimination du CO2. C’est un organe musculaire, creux, en forme de poire situé dans la cage thoracique. Il a un poids moyen de 260g, une longueur d’environ 12 à 14cm et une largeur approximative de 9cm. Il bat sans arrêt 70 fois par minute en moyenne, 10 000 fois par jour, 36 millions de fois par an, 2 milliards et demi de fois pendant une vie moyenne. Il envoie dans la circulation 6 litres de sang par minute au repos, soit plus de 8 000 litres de sang par jour, et beaucoup plus lors d’un effort. C’est un organe à part, qui est capable de se contracter tout seul grâce à sa composition d’une masse contractile : le myocarde. Le myocarde constitue l’essentiel de la masse du cœur. Il est composé de cellules musculaires cardiaques qui permettent la contraction du cœur. Ces contractions sont effectuées de manière rythmique, ce qu’on appelle les battements cardiaques. De plus le myocarde possède son propre système d’irrigation, des artères appelées coronaires permettent l’apport de dioxygène et de nutriments indispensables au métabolisme des cellules. Le métabolisme définit l’ensemble des processus complexes et incessants de transformation de matière et d’énergie par la cellule ou l’organisme, au cours des phénomènes d’édification et de dégradation organiques (anabolisme et catabolisme). Ces artères naissent à la base de l’aorte et encerclent tout le cœur apportant donc tous les besoins nécessaires au cœur pour son bon fonctionnement.
Dessin en coupe d’un coeur
Le cœur est composé de 2 cavités supérieures appelées oreillettes et de 2 cavités inférieures nommées les ventricules. Les oreillettes reçoivent le sang appauvri en oxygène qui a déjà circulé dans l’organisme. Elles ne participent pas réellement au pompage. Les veines pulmonaires aboutissent à l’oreillette gauche tandis que les autres veines aboutissent à l’oreillette droite. Les ventricules sont les points de départ de la circulation sanguine, ce sont les pompes du cœur. Ils se contractent et propulsent le sang dans les artères où il va être redistribué dans tout l’organisme. Le ventricule droit l’envoie vers les poumons pour permettre l’oxygénation des globules rouges. C’est la pompe de la circulation pulmonaire. Quant au ventricule gauche, il envoie le sang vers l’aorte, c’est à dire l’artère principale qui permet la distribution du sang dans tout l’organisme. C’est la pompe de la circulation systémique. De plus, l’entrée de chaque ventricule contient un orifice qui est une valvule. Elle s’ouvre et se ferme en étant sensible aux variations de la pression. Elles ont pour rôle de faire circuler le sang à sens unique au travers des oreillettes et des ventricules. Cela permet ainsi l’existence d’une boucle où le sang suit un passage précis passant des oreillettes aux ventricules. Le sang appauvri en dioxygène arrive dans l’oreillette droite, passe dans le ventricule droit. Il est éjecté dans le tronc pulmonaire puis arrive aux poumons où il est ré-oxygéné. Enfin il arrive par les veines pulmonaires dans l’oreillette gauche pour passer dans le ventricule où il sera éjecté par l’aorte pour aller alimenter tout notre organisme.
Le système respiratoire
Le but premier de la ventilation est d’amener l’air à l’intérieur des poumons afin de permettre l’hématose (passage de l’oxygène de l’air vers le sang au niveau des alvéoles pulmonaires et libération de CO2 et d’eau). Chaque acte respiratoire voit se succéder une inspiration, qui permet l’entrée d’air riche en 02 dans les poumons, et est suivie d’une expiration qui libère l’air chargé en CO2 dans notre environnement.
Le système ventilatoire appartient à l’appareil respiratoire. Il est situé dans notre cage thoracique qui permet grâce au diaphragme qui est un muscle situé en-dessous de la cage, l’action d’inspiration ou d’expiration. Ce système est composé des poumons qui sont les organes majeurs de ce système, de la trachée, du larynx, du diaphragme, du nez et du pharynx. Les poumons, des organes spongieux, volumineux et coniques, jouent un rôle vital dans notre organisme puisque ce sont ces organes qui sont chargés du renouvellement de l’oxygène dans les globules rouges. Le poumon droit est composé de 3 lobes tandis que le poumon gauche seulement de 2 mais qui dispose d’un emplacement pour le cœur. Les poumons sont constitués de bronches eux-mêmes constitués de plusieurs bronchioles se divisant en une demi douzaine de canaux alvéolaires qui sont d’étroits conduits s’ouvrant dans les sacs alvéolaires. Une dizaine d’alvéoles sont réunies en grappe formant un sac alvéolaire. Tout ce complexe avec la trachée est qualifié « d’arbre bronchique » en effet l’image ci-dessous le démontre bien. Les poumons d’un adulte peuvent contenir environ 3L d’air mais ils ne sont pas des muscles contrairement au coeur.
Coupe des poumons chez une personne normale
L’air que l’on inspire par le nez ou la bouche est un mélange d’azote (78%), de dioxygène (21%), de vapeur d’eau (0,5%), de dioxyde de carbone (0,04%) et des traces de gaz rares. L’azote n’intervient pas dans la respiration seulement l’O2 et le CO2 interviennent dans cette réaction.
L’air inspiré descend dans la trachée jusqu’aux bronches où il se sépare pour pénétrer dans les deux poumons. L’air ensuite arrive dans les alvéoles, c’est là où l’oxygène va traverser la membrane de la paroi alvéolaire pour être transféré vers les globules rouges contenus dans les capillaires qui sont de petits vaisseaux sanguins situés sur les alvéoles.
Représentation des alvéoles pulmonaires
Le sang est le milieu de transport intermédiaire entre le milieu extérieur et les cellules de l’organisme. Il transporte des nutriments, des hormones, des déchets, de la chaleur et les gaz respiratoires: dioxygène (O2) et dioxyde de carbone (CO2). Des échanges gazeux sont indispensables au renouvellement des gaz sanguins. L’O2 atmosphérique est pris en charge par le sang au niveau des alvéoles pulmonaires et transporté vers les cellules (organes) et au contraire le CO2 est pris en charge par le sang au niveau des cellules (organes) qui est transporté vers les alvéoles pulmonaires pour s’échapper de notre organisme. On appelle hématose: l’enrichissement du sang en O2 et son appauvrissement en CO2, au niveau des poumons. La respiration pulmonaire n’est que le résultat des respirations cellulaires : les cellules utilisent l’O2 pour dégrader des nutriments énergétiques (ex: glucose) et produire de l’énergie.
Équation simplifiée de la respiration chez les mammifères
L’énergie est donc indispensable à la respiration cellulaire donc aux échanges gazeux qui sont effectués dans notre organisme permettant l’activité de celles-ci et la notre.
Ces échanges gazeux provoquent un changement du sang non hématosé (ou sang veineux, rouge foncé) en sang hématosé (ou sang artériel, rouge vif).
La respiration pulmonaire provoque donc l’hématose: le sang entrant dans les poumons est non hématosé et le sang sortant des poumons est hématosé. l’hématose est l’ensemble des échanges gazeux se produisant dans les poumons et transformant le sang riche en gaz carbonique, rouge sombre, en sang riche en oxygène, rouge vif. Etant donné l’étendue (6OO millions d’alvéoles pulmonaires et 70 m2 de contact air-sang) et la faible épaisseur (environ 0,5 μm) de la surface d’échange, les vitesses de diffusion sont très rapides (volume diffusé: 200 à 250 ml par min d’O2 au repos).
Enfin tout ceci ne serait possible sans la ventilation, c’est-à-dire l’ensemble des mouvements respiratoires (inspiration/expiration) qui permettent l’entrée et la sortie du dioxygène et du dioxyde de carbone. Ce sont les muscles intercostaux et surtout le diaphragme qui entrent en jeu dans la mécanique respiratoire. Le diaphragme est le plus important des autres durant la respiration au repos.
Au cours de l’inspiration en accord avec la loi de Boyle : lorsque le volume d’une quantité donnée de gaz augmente, sa pression diminue or lorsque le volume thoracique augmente (inhalation) les poumons suivent le mouvement de la cage thoracique. La pression pulmonaire devenant plus basse que la pression atmosphérique : l’air entre dans les poumons. Tout ceci grâce à la contraction des muscles intercostaux qui soulèvent les cotes et dilatent donc la cage thoracique.
Puis la contraction du diaphragme abaisse la cavité thoracique lui donnant une forme plus aplatie augmentant donc le volume thoracique ainsi que pulmonaire. Le thorax et les poumons ayant un certain degré d’élasticité c’est-à-dire qu’ils résistent à la distension et ils reviennent sur eux-mêmes quand les forces de dilatation cessent. L’expansion du thorax et des poumons durant l’inspiration place ces structures sous tension élastique. Le relâchement des muscles intercostaux et du diaphragme produit donc l’expiration puisque les muscles en se relâchant arrêtent la tension élastique. Les poumons reprennent donc leur volume de départ et l’air est ainsi expiré de notre organisme.
Schéma de la cage thoracique et de ses muscles
L’appareil cardiovasculaire
L’appareil cardio-respiratoire assure l’apport et la distribution de dioxygène à toutes les cellules de notre organisme ainsi que le rejet du dioxyde de carbone qui est le déchet du métabolisme cellulaire. Il est composé du cœur, des poumons et des vaisseaux sanguins. Il forme deux circulations en série : la circulation pulmonaire et la circulation générale.
Le cycle cardiaque est très important dans la distribution du dioxygène. Le cœur assure sans relâche la circulation du sang par le jeu de contractions et de relâchements successifs en permanence à un rythme régulier. Cette contraction repose sur l’émission et la transmission d’impulsions électriques appelées potentiels d’action qui se diffusent dans les cellules du myocarde. 1 sur 100 fibres peuvent déclencher un potentiel d’action provoquant ainsi la contraction du muscle. Lors d’un battement cardiaque de multiples événements se produisent successivement : c’est la révolution cardiaque.
La 1ère phase est la diastole ventriculaire, c’est-à-dire un mouvement de relaxation et de dilatation du cœur. Les parois des oreillettes et des ventricules se relâchent et le sang remplit les cavités ventriculaires. La pression augmente et les valvules atrioventriculaires (AV) s’ouvrent pour laisser passer le sang dans les ventricules. Environ 80% du sang est passé à ce moment. Puis se suit par une systole auriculaire, c’est-à-dire la contraction des oreillettes éjectant ainsi les 20% de sang restant dans les ventricules. Enfin la systole ventriculaire : les ventricules se contractent augmentant donc la pression dans chaque chambre causant la fermeture des valvules AV empêchant le sang de remonté dans les oreillettes. Immédiatement après cette fermeture, la pression force les valvules semi-lunaires à s’ouvrir et propulse le sang dans le système artériel. Toutes ces contractions sont dues à une excitation électrique du cœur.
Afin d’assurer une contraction simultanée des cellules myocardiques pour pouvoir chasser le sang hors des cavités, il existe une commande unique qui déclenche de façon périodique la stimulation et des voies de conduction qui transmettent cette stimulation.
Cette fonction est assurée par le tissu nodal qui a pour caractéristique principale d’avoir une membrane instable qui, lorsqu’il atteint une certaine valeur déclenche un potentiel d’action. Lorsque la cellule est excitée par un stimulus électrique, mécanique ou chimique, la différence de potentiel passe de -90mV à environ +20mV. Ce potentiel d’action se propage aux cellules voisines : c’est la conduction. Ces cellules sont dites automatiques et sont présentes dans le nœud sinusal. C’est là où les cellules ont la fréquence de décharge la plus rapide ce sont donc elles qui imposent dans des conditions physiologiques leur rythme au cœur. Elles reçoivent donc les innervations sympathique et parasympathique qui sont les nerfs à l’origine de la régulation de la fréquence cardiaque. Les cellules sont aussi présentes dans les voies de conduction auriculaires qui assurent la contraction des oreillettes. Puis les potentiels d’action gagnent le nœud auriculo-ventriculaire (N.A.V.). Le rôle du N.A.V. est de filtrer les impulsions électriques qui lui parviennent, de les éliminer en partie, de les coordonner et d’en faire un influx électrique homogène transmis au faisceau de His.
Ainsi d’un point de départ unique l’influx se propage de proche en proche de façon régulière du nœud sinusal jusqu’à l’ensemble des fibres myocardiques d’une façon harmonieuse permettant les systoles.
Schéma des deux circulations
Les artères pulmonaires transportent le sang dépourvu d’oxygène du ventricule droit aux poumons où il sera oxygéné et reviendra au cœur par les veines pulmonaires situées dans l’oreillette gauche. Le sang oxygéné est alors transporté par l’aorte et toutes ses ramifications qui vont irriguées toutes les parties du corps. Les artères coronaires sont les premières ramifications de l’aorte. Elles permettent d’irriguer le cœur. D’autres artères se détachent de l’aorte et permettent l’oxygénation de tous les organes du corps. Le sang provenant des organes est donc appauvri en dioxygène et revient au cœur par les deux veines principales : la veine cave supérieure qui draine la partie supérieur du corps, et la veine cave inférieur qui draine la partie inférieure du corps. Ces veines aboutissent à l’oreillette droite envoyant le sang appauvri en dioxygène dans le cœur, ainsi le cycle cardiaque recommence.
Schéma de l’irrigation d’un muscle
Nous savons que le sang passe par des vaisseaux sanguins qui se ramifient continuellement permettant l’accès à tous les organes du corps. En effet les ramifications les plus fines sont les artérioles où le sang passe dans les capillaires qui contrairement aux artères et aux veines ont une paroi pas très épaisse permettant ainsi de laisser passer les substances contenues dans le sang vers les tissus extravasculaires. Le sang est ensuite repris par les veinules puis par les veines remontant le sang au cœur. Voilà donc comment nos organes et notre corps sont irrigués continuellement en dioxygène qui est l’élément chimique indispensable à la respiration cellulaire, à leur métabolisme c’est-à-dire permettant leur activité et donc notre activité aussi.