Les régimes de contraction : quelle méthode pour la force, la masse musculaire, la prévention des traumatismes sportifs…

…l’ancienne gymnastique ne s’occupait pas du tempérament et développait uniquement la force. Chez les anciens, les uns s’exerçaient en portant des poids très lourds; les autres en luttant de rapidité avec des chevaux ou des lièvres; d’autres en recourbant et en redressant des plaques épaisses de fer; d’autres encore en s’attelant avec des bœufs robustes à des chars; d’autres encore en prenant sur leur cou des taureaux, quelques-uns même des lions…

Philóstratos : Gymnastikos (de la gymnastique, IIème siècle après J-C)

La contraction excentrique :

L’exercice excentrique est un moyen efficace d’induire des changements structuraux important du complexe muscle-tendon  et des adaptations de la commande nerveuse.

Modalité :

Implique une récession contrôlé sous l’effet de charges très puissantes, voire supra maximale. Au cours de ce processus, le muscle absorbe l’énergie développée par une charge externe, ce qui vaut au travail excentrique le nom de travail négatif. A ce mode de contraction correspond un travail mécanique, W = F x (-D) avec W en joules, F en Newton, D en mètre. L’énergie absorbée peut-être :

·         Dissipée sous forme de chaleur, dans ce cas le muscle à une fonction d’amortisseur

·         Stockée temporairement en énergie élastique pouvant être restituée (pliométrie)

Lors de sollicitations musculaires excentriques, le système nerveux met en place des stratégies d’activation centrale spécifiques à ce mode d’action. En effet la différence de programmation des contractions excentriques et concentriques, mesurés par électroencéphalographie indique une activité corticale plus importante et plus précoce lors de contractions excentrique.

Complexe muscle-tendon :

Le tendon riche en collagène (80% de la masse du tissu organique) possède un comportement viscoélastique. L’élasticité du muscle est due aux interactions actine-myosine, au tissu conjonctif et au système élastique de filaments structurant le sarcomère. Ce régime de contraction permet de renforcer le complexe muscle-tendon en stimulant la synthèse de collagène et en activant les gènes du développement et de la croissance cellulaire.

Le stockage d’énergie qui réside dans les propriétés élastiques du tendon et du muscle, qui permettent l’allongement de ces structures en réponse à l’étirement, produit une force additionnelle sans consommation d’ATP. Associé à un recrutement d’unités motrices (UMs), permet une économie de l’énergie totale utilisé par le muscle.

Les hauts niveaux de tensions qui accompagnent l’allongement forcé de ce complexe, s’explique par l’incapacité du système nerveux centrale à recruter de façon maximale toutes les UMs d’un muscle induisant la répartition du stress mécanique sur un plus faible nombre d’UMs. La tension unitaire par fibre active est donc plus élevée en mode excentrique. Ce qui entraine des microlésions des fibres musculaires. Ces dommages se caractérisent par une désorganisation de certains sarcomères et une perturbation de de l’orientation linéaire de la ligne Z, associées à des lésions au niveau du sarcolemme, des tubules transverses et du réticulum sarcoplasmique. Succédant à un processus inflammatoire responsable de l’apparition progressive de douleurs à effet retardé ou delayed onset muscular soreness (DOMS).

L’exercice excentrique et le principal pourvoyeur de courbature. La théorie du dommage musculaire stipule que la cellule musculaire endommagée et un facteur responsable de la croissance musculaire. Une nouvelle cellule musculaire est créée par les satellites cellulaires, fusionnées avec les fibres musculaires existantes qui ont la capacité d’augmenter la synthèse de protéines ou de fusionner entre elles (Prevot, 1998).

Gains de force :

Par rapport à un entrainement concentrique, plusieurs études montre que ce type d’entrainement semble être un moyen efficace pour augmenter les capacités de production de force maximale. La force excentrique maximale se situe en 30 et 40% de la force maximale relevé en isométrique, et entre 10 à 30% en concentrique (burle et schmidtbleicher 1981). En effet, l’appareil contractile est sollicité au maximum, grâce aux hauts degrés de couple de force musculaire.

Par exemple, Hortobagyi et al. Rapportent un gain de force isométrique (valeur étalon) maximale 3.5 fois plus important après 6 semaines d’entrainement excentrique des fléchisseurs du genou en comparaison d’un entrainement concentrique de même durée. Ces résultats ont été confirmés avec des durées d’entrainement plus longues (+24.6% versus +12% en concentrique). Ainsi la composante excentrique et essentielle pour augmenter la force musculaire, par un des processus adaptatifs importants induit par l’entrainement excentrique, le gain de masse musculaire. En effet une augmentation de 10% de la masse musculaire résulte d’une augmentation de 25% de la force maximale (Hartmann et Tunnemann, 1995).

L’hypertrophie :

Un des processus adaptatifs importants induit par l’entrainement excentrique est le gain de masse musculaire. En effet au-delà de de six à huit semaines d’entrainement, l’amélioration des capacités de production de force musculaire s’accompagne d’une augmentation de la masse musculaire. Higbie et al. ont montré une augmentation importante de la surface de section transversale du quadriceps après dix semaines d’un entrainement excentrique par rapport à un entrainement en régime concentrique. L’exercice excentrique représente, pour les cellules musculaires, une contrainte mécanique particulière qui peut modifier l’expression de plusieurs gène, via les voies de mécano- transduction constituées de protéines sensibles au statut mécanique de la cellule musculaire (microtubules associated proteins ou protéines MAP). A partir de six heures post-effort, l’activation progressive des gènes de la croissance cellulaire et du développement, impliqués dans le processus d’hypertrophie cellulaire chez l’homme. Les exercices excentriques semblent être le meilleur moyen pour optimiser la prise de masse.

Prévention des blessures, phénomène de protection liée à l’entrainement excentrique :

Le travail excentrique est avantageux dans plusieurs domaines par rapport aux types de contraction car permet d’intervenir sur l’élasticité de la fibre musculaire. Suite à une lésion musculaire, un tissu cicatriciel se forme. Si aucun exercice n’est réalisé, le tissu s’organise de façon anarchique. Le travail musculaire excentrique permet de lutter contre cette anarchie en réorientant les fibres du tissu cicatriciel et avant activant la maturation du collagène (croisier et codine, 2009). On observe un remodelage du corps musculaire et une amélioration de sa résistance (Stanish et al. 1986).

Le mécanisme de protection musculaire précédant un entrainement excentrique semble être le résultat d’une augmentation de nombre des sarcomères en série. Cette adaptation permet de protéger ultérieurement le muscle lors d’un effort excentrique. En effet, pour une même position segmentaire, le muscle travaillerait en étant moins étiré. Diminution de la contrainte au niveau du sarcomère, contrainte à l’origine des lésions musculaires :

·         Les lésions tendineuses traumatiques : luxations, ruptures se produisent toujours lors d’une activité frénatrice.

La contraction concentrique :

Modalité :

Implique un raccourcissement musculaire avec accélération de manière à surmonter une résistance. La tension musculaire exercée est supérieur à la charge extérieure.

Type d’entrainement le plus fréquent dans la pratique sportive, elle consiste à induire un développement de la force de raccourcissement avec rapprochement des insertions musculaires.  Le mot « concentrique » signifie littéralement « avec le centre ». Le muscle se mobilise vers son centre.

Si cette force de traction est suffisamment forte, la contraction concentrique peut se manifester de trois façons : le muscle peut soit tracter l’os A vers l’os B, soit tracter l’os B vers l’os A soit tracter les deux os A et B. Il devient moteur ou agoniste. 

Notion de Biomécanique :

Quand on regarde les muscles des membres, le segment le plus léger est toujours le plus distal. Au membre supérieur, la main est plus légère que l’avant-bras, l’avant-bras est plus léger que le bras… Si nous poussons plus loin l’exploration de la contraction concentrique on se rend compte que l’insertion qui bouge habituellement  est située sur le segment le plus léger. En d’autres termes, quand le muscle se contracte en concentrique, il mobilise généralement son insertion distal. On appelle ces actions l’action motrice standard du muscle. En sport il est possible et fortement conseillé de travailler également en « inversion de point fixe ».

Par exemple : Si la main se tient à un objet inamovible tel qu’une barre de traction, étant donné que la main est fixe, l’avant-bras aussi est fixe et ne peut pas bouger, à moins que la barre soit arrachée du mur. Le bras sera mobilisé vers l’avant-bras et le sportif fera une traction ou pull up.

Le recrutement des Unités motrices, facteur déterminant de la force en contraction concentrique :

L’activité électromyografique (EMG) mesurée à la surface de la peau, lors d’actions musculaires concentrique et supérieur aux autres types de contraction. L’innervation des fibres musculaires s’effectue par l’intermédiaire de motoneurones alpha. Un seul motoneurone peut innerver plus de 2000 fibres musculaires. Le système nerveux central semble dans le cas d’une contraction concentrique, dans la capacité de recruter de façon maximale les UMs. Dans cette situation, l’élaboration de la force au niveau du muscle entier repose sur deux modalités stratégiques qui seront plus ou moins combinées : le nombre d’UMs recrutées (recrutement spatial) et la fréquence d’activation de ces UMs (recrutement temporel).

Prenons à titre d’exemple la métaphore de l’éclairage de néons :

a)       Un temps variable s’écoule entre la commande (l’appui sur le commutateur) et l’allumage effectif de tous les néons, tous les néons ne s’allume pas absolument simultanément= vitesse de la conduction nerveuse, donc vitesse de contraction. facteur nerveux de recrutement temporel.

b)      Tous les néons ne s’allument pas. On doit enclencher le nombre de commutateurs en fonction de la lumière souhaité. Si tous les néons sont allumés la lumière est plus forte = stratégie de recrutement spatial.

Cette commande varie selon la taille et le type de muscle. Dans le cas de gros muscles, le mécanisme de codage principal de la force est le recrutement spatial des UMs. Par contre, dans les petits muscles ou la force doit être ajustée avec précision, le codage en recrutement temporel semble être le mécanisme principal. En effet, pour certains muscles de la main Milner-Brown et al ont démontrés que le codage se fait prioritairement par l’augmentation de la fréquence d’activation des UMs.

Théorie de l’accumulation des substrats :

Lors du travail concentrique, il existe une consommation importante d’ATP (versus excentrique) pour permettre les cycles de liaisons et ruptures entre les molécules d’actine et de myosine.

A l’état pur, l’entrainement en concentrique utilise un maximum d’énergie et du même coup génère une vascularisation importante. Le corps répond en stimulant le processus métabolique produisant l’énergie nécessaire pour contracter les muscles. Cette augmentation de l’activité métabolique apporte une accumulation de plusieurs produits dérivés du métabolisme. Pour la plupart, il s’agit d’acide lactique. L’acide lactique est démontré comme un stimulant de la sécrétion de la testostérone et probablement joue un rôle comme stimulant de l’hormone de croissance (Prévôt, 1998). C’est efforts intensifs stimule le système nerveux central produisant de l’adrénaline et de la noradrénaline. Hormones à effet potentiellement anabolisant.

Notion de force, de travail, de vitesse et de puissance

Quand tous ses facteurs sont réunis, la force exercée par le muscle est le produit de la masse déplacée (M) par l’accélération (A) :

F(N)= M (kg) x A (m.s-2) (N : Newton, l’unité de mesure de la force)

Lorsque la charge est déplacée, il y a travail. Défini comme le produit de la force (F) par la distance (d) :

T (J) = f (N) x d (m) (J : joule, l’unité de mesure du travail)

Le travail (t) mesuré par unité de temps (t) défini la puissance. La Puissance (P) est le rapport du  travail (T) sur le temps (t) mis pour le réaliser :

P(W) = T(J)/t(s) (W : Watt, l’unité de mesure de la puissance)

Comme le rapport de la distance (d) sur le temps (t) représente la vitesse :

V (m.s-1) = d(m)/t(s)

La puissance peut être définie aussi comme le produit de la force par la vitesse :

P(W) = F x V

La contraction isométrique :

Modalité :

Isométrique ou statique, le travail au point de vu de la physique est nul puisque le produit de la force par le déplacement est nul. Il n’y a pas de raccourcissement ni d’étirement du muscle visible. Néanmoins une augmentation de la tension du muscle. Cette tension musculaire (T.musc) est inférieure ou égale à la charge extérieure (Ch.ext).

T.musc = Ch ext

Force et isométrie

Dans les conditions de sollicitations musculaires isométriques, les investigations ont clairement montré que le mode d’activation des UMs était dépendant de la longueur à laquelle le muscle se trouve au moment de sa contraction du muscle. Zatsiorki mentionnait déjà (1966) que le gain de force du à l’isométrie était spécifique de la position de travail. Les travaux de Rack et Westbury ont mis en relation la longueur des sarcomères avec celle du muscle entier et l’angle articulaire. La diminution de la force observée lorsque le muscle est raccourci s’explique principalement par une réduction du nombre de ponts entre filaments d’actine et de myosine consécutive au raccourcissement des sarcomères. Toute augmentation de la longueur du muscle s’accompagne d’une augmentation de la force jusqu’à une longueur optimale témoignant de la plus grande tension exercée par chaque pont jusqu’à leur point de rupture mécanique. Ainsi, toute diminution de la longueur est associée à une réduction de la tension développée. D’après Kennedy et Cresswell ; lorsque le muscle atteint une longueur critique de raccourcissement, celui-ci deviendrait « activement déficient », conduisant alors à une réduction de la commande nerveuse sur les neurones moteurs spinaux. Ces auteurs spéculent qu’une augmentation de l’inhibition du pool des neurones moteurs associée à la moindre capacité des UMs à produire de la force serait présente lorsque la longueur du muscle est réduite.

Adaptation cardiovasculaire en condition isométrique

Pendant la contraction isométrique, le débit de perfusion au niveau du muscle contracté est un facteur important du temps limite. En effet les réactions cardiovasculaires déclenchées par la contraction isométrique tendent à améliorer les conditions de perfusion du muscle contracté, alors que celui-ci écrase mécaniquement ses vaisseaux nourriciers. Dans ces conditions le temps de maintien maximal d’une contraction musculaire isométrique dépend du niveau de force développé et des possibilités de renouvellement énergétique liées à l’adaptation cardiovasculaire pendant la contraction. L’occlusion vasculaire est totale à 50% de la force maximal volontaire (FMV) pour le biceps, à 70% de la FMV pour le quadriceps (Gaffney et al, 1990), la désoxygénation musculaire n’est pas plus importante 100% de la FMV qu’à 50%. L’accélération cardiaque reflexe contribue à augmenter le débit cardiaque. On observe après la fin de l’effort une élévation importante de l’hématocrite.

Conclusion :

L’entrainement excentrique permet des sommets de tension musculaire qui dépassent de loin les valeurs de force maximale en concentrique ou en isométrique. De fait le mode excentrique permet l’augmentation de la force maximale, l’augmentation de la section transversale des muscles, des tendons et des ligaments. Leurs capacités à emmagasiner/restituer l’énergie mécanique augmente du même  coup. Dosé correctement, permet de prévenir certaines lésions musculaires.

A l’état pur cette méthode ne peut se pratiquer qu’en période de préparation. En effet son mode d’action à une forte tendance à provoquer des courbatures dû aux micros lésions qu’il occasionne, ce qui prédispose à de véritables lésions.

Dans la condition de contraction concentrique, la méthode entraine chez le sportif la plus haute  capacité d’innervation volontaire maximale (versus excentrique) et se prête bien à l’entrainement en période de compétition. Elle produit une amélioration de la coordination Neuromusculaire. En effet, nous avons vu précédemment que le contre mouvement (phase excentrique) par les propriétés élastiques du complexe muscle-tendon améliore la performance concentrique. Il en résulte qu’une contraction purement concentrique suppose pour une performance comparable une activité électrique plus importante qu’une forme mixte excentrique et concentrique. Permet d’entrainer la force maximale, la force vitesse, la force endurance, et la masse musculaire dans une moindre mesure que le mode excentrique.

Quant à la méthode isométrique, elle ne doit pas être utilisée seul pour l’amélioration de la force maximale. Mais c’est une  méthode efficace pour profiter de la pleine activation et de la capacité neuromusculaire, quand elle est en liaison avec un entrainement pliométrique, concentrique, ou excentrique qui lui succède. Toute fois l’angle de travail aura une importance particulière. De plus, l’adaptation cardiovasculaire suscitée par ce stimulus permet d’améliorer le débit de perfusion musculaire.

Exemple Vidéo des 3 types de contractions : Traction Pletnev et Komi. Niveau Avancé.