11 novembre 2012 ~ 0 Commentaire

Bases physiologiques de l’entrainement physique des pilotes de chasse (par C.Y. Guezennec)

L’étude de la tolérance aux accélérations +Gz soutenues et de haut niveau, est d’un intérêt majeur en matière de médecine aéronautique. En effet, les avions de la nouvelle génération (F-15, F-16, Mirage 2000, Rafale…) sont désormais capables d’atteindre de très hauts niveaux de facteurs de charge sans dommage pour les structures, mais surtout, ils sont capables de les atteindre très rapidement, de les maintenir longtemps et aussi de les répéter un grand nombre de fois. Les réactions physiologiques du pilote en réponse aux accélérations sont déterminantes dans la maîtrise du système homme-machine. Plusieurs méthodes technico-physiologiques (inclinaison du siège, valve et pantalon anti-G, respiration en pression positive) permettent un gain appréciable en tolérance. En dehors de ces méthodes ergonomiques il existe des manoeuvres volontaires de protection anti-G résultant d’une activité musculaire orientée vers la protection contre les effets des accélérations. L’entraînement physique a pour but de les rendre plus efficaces, et par là produit un gain supplémentaire en tolérance (9). Il permet de plus d’améliorer la capacité de réponse du système cardio-vasculaire qui est sollicité lors de l’exposition aux accélérations + Gz.

PERTINENCE SCIENTIFIQUE : BASES PHYSIOLOGIQUES DES MOYENS DE PROTECTION CONTRE LES EFFETS DES ACCELERATIONS.

La résistance aux facteurs de charge est mise en jeu lors de missions de combat simulées ou réelles. Il est possible d’énumérer 4 actions volontaires impliquant une interaction entre le travail musculaire et la conduite de la machine qui sont successivement :

- La lutte contre les effets cardiovasculaires des accélérations, grâce à une manoeuvre musculaire et respiratoire qui consiste à contracter très fortement tous les muscles du corps, à se pencher légèrement en avant pour diminuer la distance coeur-cerveau, et à effectuer plusieurs cycles de respiration comportant des alternances d’efforts inspiratoires brefs et d’efforts expiratoires plus prolongés à glotte semi-fermée. Cependant, les manœuvres musculaires et respiratoires sont considérées comme fatigantes et la décroissance effective de leur efficacité a été attribuée à la fatigue musculaire locale (18).

- L’ajustement du travail de la tête afin de stabiliser la position des yeux face au viseur par de petits mouvements du rachis cervical (exp ALAT, vol de nuit avec jumelles à amplificateur de lumière sur le casque).

- L’ajustement de la trajectoire de l’avion par le contrôle du manche qui nécessite des efforts importants pour mobiliser l’avant bras droit et vaincre l’augmentation de son poids.

- La fixation des parties du corps soumises à l’accélération et non impliquées dans une tâche de pilotage. Ce dernier point produit un travail musculaire de fond le plus souvent non perçu par le pilote, mais déterminant une fatigue musculaire généralisée à l’issue de vol avec la répétition de manoeuvres à facteur de charge élevé. Il a été suggéré que les performances musculaires locales ne sont pas limitées par les seuls facteurs métaboliques pendant les manœuvres de combat simulées. Il existerait une relation entre le niveau d’aptitude à l’exercice statique et la tolérance individuelle aux accélérations +Gz (16, 19). Ces données ont conduit à attribuer au niveau de force musculaire relative produit la résistance à la fatigue et la tolérance aux +Gz.

A coté de cet aspect purement musculaire, on sait que la tolérance aux accélérations dépend en grande partie de la capacité du système cardio-vasculaire à lutter efficacement contre les déplacements liquidiens s’effectuant de la tête vers les pieds. Ceci passe par :

- une réponse en fréquence cardiaque adaptée,

- une augmentation de la contractilité du coeur,

- une augmentation de la pression artérielle. (3)

Toutes ces réponses sont mises en jeu par l’intermédiaire de l’activation du système de contrôle de l’activité cardiaque, et sont destinées à maintenir un débit sanguin et une tension artérielle permettant un débit sanguin cérébral suffisant pour maintenir un état de conscience permettant le pilotage. L’entraînement physique est susceptible d’améliorer la performance du système cardiovasculaire et par là d’accroître la tolérance aux accélérations.

Ainsi, de la même façon qu’un athlète s’entraîne afin d’obtenir la nécessaire adaptation physiologique spécifique de ses systèmes à sa spécialité, le pilote de chasse doit s’entraîner de façon à rendre plus efficace, c’est à dire plus puissant et plus endurant, le travail musculaire et cardiaque imposé par le pilotage. En effet, l’entraînement physique agit principalement sur trois systèmes qui sont l’appareil musculaire, le système cardiovasculaire et la commande nerveuse de la motricité mais les effets sont différents selon le type d’entraînement.

Les modifications résultant de l’entraînement en musculation, augmentation de la force, de la puissance maximale et l’augmentation du temps d’endurance musculaire, sont mises en jeu dans la tolérance aux facteurs de charges élevés. Elles permettent de réaliser les manoeuvres de protection avec une efficacité accrue et surtout de les répéter sans fatigue au cours du vol. L’entraînement en musculation serait susceptible d’améliorer la tolérance aux accélérations par les actions suivantes :

- amélioration de la mobilisation des segments de membre et de la fixation du rachis cervical résultant du gain de force musculaire.

- augmentation de la réponse tensionnelle à la baisse de la pression artérielle (17).

L’entraînement en endurance pourrait jouer un rôle favorable en augmentant le débit cardiaque mais il pourrait être suivi d’effets indésirables en diminuant la sensibilité de la réponse à l’hypotension (15, 21, 22).

Ces hypothèses ont donc conduit à vérifier expérimentalement les effets des types d’entraînement physique sur la tolérance aux accélérations.

METHODES – RESULTATS :

Etudes expérimentales sur les effets de l’entraînement physique sur la tolérance aux accélérations.

1) Méthodes directes : (3)

Elles présentent l’avantage de répondre directement à la question posée : existe-il une amélioration de la tolérance aux accélérations sous l’effet de l’entraînement.

Plusieurs études furent conduites pratiquement simultanément. Dans le cadre de l’US Air Force, en 1982, Epperson et coll. (16) ont montré que l’entraînement en musculation augmentait la tolérance alors qu’en endurance il aurait tendance à la diminuer (23). En Suède, en 1983, des études ont confirmé l’effet positif de l’entraînement en musculation sur le gain de tolérance aux accélérations.

En France, en 1982, une étude a été réalisée à l’aide d’une collaboration entre les pilotes du Centre d’Expérimentation Aérien Militaire (CEAM, Mont de Marsan), le Laboratoire de Médecine Aérospatiale du Centre d’Essais en Vol (LAMAS, Brétigny sur Orge) et le Centre d’Etudes et de Recherches de Médecine Aérospatiale (CERMA, Brétigny sur Orge) (4). Douze pilotes furent soumis à un programme d’entraînement physique de 6 semaines en musculation. La tolérance aux accélérations a été évaluée en centrifugeuse à l’aide d’un protocole de Gradual Onset Range, mené jusqu’à l’apparition de troubles de la fonction visuelle imposant l’arrêt de la centrifugation.

Ces tests furent réalisés avant et après la période d’entraînement puis après 6 semaines d’arrêt d’entraînement. Les résultats mettent en évidence une augmentation importante de la tolérance après l’entraînement et une persistance de ce gain plusieurs semaines après l’entraînement. Ces données qui peuvent sembler paradoxales s’expliquent à l’aide de deux facteurs qui sont d’une part, un effet rémanent de l’entraînement en musculation qui persiste au-delà de 6 semaines d’arrêt, d’autre part, cette expérimentation met en évidence le rôle de l’accoutumance à la centrifugeuse sur le gain de tolérance.

2) Méthodes indirectes d’étude de la sensibilité de la balance ortho-sympathique selon le type d’entraînement (3):

a) Low Body Negative Pressure : LBNP

Elle permet d’évaluer la sensibilité de la réponse cardiovasculaire rapide à une diminution du volume sanguin du thorax telle qu’elle se produit lors des accélérations +Gz.

Elle permet d’apprécier le tonus sympathique réglant la FC dont la réponse est immédiate.

Elle permet d’évaluer la réponse et la régulation tensionnelle lors de la stimulation des barorecepteurs carotidiens.

Lors des manœuvres de LBNP il existe une diminution transitoire de PA. La prise d’informations au niveau des barorecepteurs augmente rapidement le débit cardiaque par un effet sur la contractilité, la FC et la vasoconstriction sont stimulées.

Ainsi, la cinétique d’augmentation de la FC peut être utilisée comme index de sensibilité de la régulation du système.

b) Table Basculante TB :

Afin de dégager le rôle de l’activité physique les études expérimentales se sont attachées à décrire des réactions cardiovasculaires et endocriniennes au « tilt test » et au LBNP de sujets soumis à des modifications importantes du niveau d’activité physique. Les résultats indiquent que des sujets soumis depuis plusieurs années à des entraînements en musculation ou en endurance présentent des réactions physiologiques différentes.

Le tonus orthosympathique objectivé par la réponse des catécholamines circulantes et la réactivité des hormones réglant le mouvement de l’eau est plus faible chez les sujets endurants.

L’ensemble de ces éléments indique que la boucle neuro-endocrinienne de la régulation de PA présente une sensibilité diminuée chez ces sujets.

Les différences d’évolution de l’ARP en réponse à un tilt test selon le type d’entraînement reflète à la fois l’évolution du tonus sympathique et la capacité de vasoconstriction induite par l’axe endocrinien. Les taux d’ARP sont toujours plus élevés chez les sujets entraînés en musculation (10).

Le test de TB montre une réponse plus faible de FC et une distensibilité supérieure du territoire veineux des membres inférieurs chez les sujets endurants (7,8). Ces éléments combinés permettraient initialement de faire l’hypothèse d’une diminution du débit cardiaque chez les sportifs endurants par rapport aux sportifs entraînés en musculation. L’utilisation du LBNP et de l’echocardiographie a infirmé cette hypothèse.

c) LBNP et Echocardiographie :

L’évolution des paramètres volémiques montre que les sujets endurants diminuent la pré-charge cardiaque en début d’exposition au LBNP mais les valeurs moyennes des volumes et débits cardiaque des endurants sont légèrement plus élevés que celles des sédentaires ou musculeux. Au total, il apparaît que chez les endurants les caractéristiques de structure du cœur jouent un rôle important dans le maintien de l’homéostasie cardiovasculaire au cours de la contrainte orthostatique.

Ainsi, chez les sportifs endurants on note la présence d’une réserve de débit cardiaque élevée résultant de volumes cardiaques importants. L’entraînement en endurance n’est pas incompatible avec une bonne tolérance à des niveaux élevés de baisse des volumes sanguins thoraciques (11, 20).

3) Méthode indirectes d’étude de l’influence de la fatigue musculaire sur la tolérance aux G:

On peut se demander quel est la part de la fatigue centrale et de la fatigue périphérique dans la tolérance aux G ? Une diminution de la disponibilité du glycogène peut être associée à une diminution de l’endurance musculaire (13, 1) mais la répétition des manœuvres anti-+Gz s’accompagne d’une certain niveau de fatigue centrale (14). Cette question toujours d’actualité n’est pas résolue et nécessite encore des travaux expérimentaux.

Une étude récente réalisée à Salon de Provence par l’IMASSA (4) a permis de montrer que le niveau de dépense énergétique global (VO2) des pilotes de voltige soumis à des variations brutales d’accélération (push-pull, -3,5 G à +6,5 G) est très élevé, correspondant en moyenne au double de la VO2 de repos et jusqu’à 70% de VO2max pour les pics d’accélération. Cela confirme que le niveau de dépense énergétique local (muscles de la nuque, du tronc, des bras et des cuisses) peut être très élevé, voir maximal. L’EMG pendant le vol des muscles de l’abdomen a permis d’illustrer ce résultat avec des valeurs plus élevées en –Gz qu’en +Gz, alors que l’évolution de la FC traduisait les influences sympathique et parasympathique successives liées aux variations du volume sanguin.

Récemment la spectroscopie infrarouge de l’hémoglobine (NIRS) a permis d’étudier l’influence du niveau relatif de la contraction isométrique sur l’état oxydatif du muscle et notamment lors de CI des muscles de l’avant-bras. Les résultats obtenus ont permis de montrer que l’oxygénation musculaire de l’avant-bras était maximale à 50% de la force maximale volontaire, au-delà l’oxygénation locale était perturbée par l’augmentation de la pression intramusculaire et entraînait une fatigue précoce (5). (Ainsi, lors du pilotage, il est probable que l’oxygénation de l’avant-bras sous facteur de charge soit compromise).

Enfin, l’étude du niveau de dépense énergétique sur la reoxygénation post-effort lors d’efforts dynamiques intermittents (3 min effort, 1 min récupération) a montré que l’oxygénation de récupération était insuffisante à partir de 70-80% de VO2 max et favorisait la mise en jeu du métabolisme anaérobie (6). (Cela peut expliquer les manifestations de fatigue liées au pilotage lors des manoeuvres anti-G).

Ainsi, la répétition des manœuvres de pilotage sous facteur de charge accélèrent probablement la survenue de la fatigue par la mise en jeu précoce du métabolisme anaérobie. Du fait que la tolérance aux G soit liée à l’aptitude à réaliser des contractions statiques (16), il semble que la diminution de force observée à l’aide d’un ergomètre spécifique (12) chez les pilotes musulmans pratiquants le ramadan soit un facteur de détérioration de la tolérance aux G. Ainsi, un déficit énergétique modéré pourrait altérer l’endurance musculaire et la réponse cardiovasculaire orthostatique au tilt-test (1).

PERSPECTIVES :

Les résultats expérimentaux obtenus mettent en évidence un effet positif de l’entraînement en musculation sur la tolérance aux accélérations. Ce type d’entraînement a donc été systématiquement proposé aux pilotes.

Les travaux de physiologie indiquent que la pratique de l’endurance sans excès n’est pas susceptible d’induire une diminution de la tolérance aux accélérations. Par ailleurs, ce type d’entraînement a des répercussions cardio-vasculaires et métaboliques améliorant l’état de santé général (2). Cependant, il faut souligner que les effets bénéfiques d’un entraînement donné ne sont probables qu’à l’issue de longues périodes d’entraînement mixte (musculation et endurance). Les modes d’action sont donc dépendants d’une modification du mode de vie qui devrait inciter le personnel navigant à pratiquer une activité physique régulière tout au long de sa carrière avec une périodicité et une intensité suffisante pour améliorer la fonction cardiaque et les capacités de travail musculaire.

Le fait que la poursuite régulière d’un entraînement physique adapté tout au long de la carrière du personnel navigant se heurte à un problème de motivation a conduit les responsables de la préparation physique de l’Armée de l’Air à proposer des plans d’entraînement physique variés. Des études préalables menées sur de petits groupes de pilotes ont montré que des séances d’entraînement variées, avec des activités ludiques étaient considérées comme plus agréables à réaliser que des séances d’entraînement avec une activité unique. Un des buts à atteindre serait que chaque personnel naviguant puisse réaliser en début de carrière la totalité du programme d’entraînement proposé sous la conduite d’un moniteur spécialisé et soit ultérieurement apte à poursuivre de façon autonome selon ses possibilités tout ou une partie de ce programme.

La surveillance de l’aptitude physique pourrait comprendre outre les valeurs de FC et de PA de repos, une épreuve d’effort (selon un protocole classique) et une épreuve sous facteur de charge en centrifugeuse. (Ceci permettrait de déterminer pour un sujet le niveau d’accélération qui compromet sa vascularisation musculaire sous facteur de charge (par la méthode NIRS), de tester sa sensibilité cardiovasculaire et d’améliorer sa tolérance aux accélérations en fonction de la qualité de l’entraînement pratiqué).

Enfin, l’idéal serait la surveillance de la FC en vol par cardiofréquencemètre individuel pour tester la sensibilité de la balance ortho-sympathique du sujet aux accélérations.

En conclusion, une action d’information est à mener auprès du personnel naviguant pour le convaincre qu’un entraînement physique adapté pourra en premier lieu améliorer sa tolérance à certaines contraintes aéronautiques telles que l’exposition aux facteurs de charge, et en second lieu améliorer son état de santé général et participer à la longévité de sa carrière aéronautique.

REFERENCES imassa :

Revues :

1) A.X. Bigard, M. Boussif, H. Chalabi, C.Y. Guezennec. Alterations in muscular performance and orthostatic tolerance during ramadan. Aviat. Space Environ. Med., 69 : 341-346, 1998.

2) C.Y. Guezennec. Rôle de l’entraînement physique sur la prévention des maladies métaboliques. Santé Publique 2ème année, 4 : 57-60, 1990.

3) C.Y. Guezennec. Bases physiologiques de l’entraînement des pilotes de chasse. Rev. Sci. Tech. Def., 3: 137-145, 1995.

4) C.Y. Guezennec, F. Louisy, B. Chapuis, P. Baril, H. Portier, J. Plesant. Effects of aerobic flights on oxygen consumption and heart rate control : influence on autonomic cardiovascular regulation during recovery. Aviat. Space Environ. Med. (soumis pour publication), 1999.

5) J.F. Kahn, J.C. Jouanin, J.L. Bussière, E. Tinet, S. Avrillier, J.P. Ollivier, and H. Monod. The isometric force that induces maximal surface muscle deoxygenation. Eur. J. Appl. Physiol. 78: 183-187, 1998.

6) J.C. Jouanin, J.F. Kahn, E. Tinet, S. Avrillier, J.P. Ollivier and C.Y. Guezennec. Muscle oxygenation level during resting periods of an intermittent running test. Med. Sci. Sports Ex. (soumis pour publication), 1999.

7) F. Louisy, J.C. Jouanin, C.Y. Guezennec. Filing and empting characteristics of lower limb venous network in athletes. Int. J. Sports Med. 18 : 26-29, 1997.

8) F. . Louisy, A. Guell, C. Gaudin, J.M. Oppert, C.Y. Guezennec. Compliance veineuse des membres inférieurs et intolérance orthostatique. Med. Armées, 18 : 91-97, 1990.

9) G. Poyot, J.M. Clere, J. Le Mot. La préparation physique des pilotes de mirage 2000 au combat aérien. Med Armées, 16 : 619-622, 1988.

Thèses :

10) M. Giaoui. Réponse du système Rénine Angiotensine Aldostérone à des tests d’orthostatisme et à l’exercice physique. Thèse Sc. Paris V, 1985.

11) F. Louisy. Entraînement physique, hypokinésie et système cardiovasculaire. Application en médecine aérospatiale. Thèse Sc. Paris V, 1992.

Rapports :

12) C.Y. Guezennec, A.X. Bigard, D. Plagnes, F. Bouron, A. Serra, F. Faux, A. Lachèze. Réalisation d’un ergomètre de mesure des puissances musculaires des pilotes d’aéronefs. Rapport Technique IMASSA-CERMA N°95-24, 25pp, 1995.

AUTRES REFERENCES :

13) B. Bain, I. Jacobs, F. Buick. Is there central fatigue during simulated air combat maneuvering ? Aviat. Space Environn. Med., 66 :1-5, 1995.

14) J. Bergström, L. Hermansen, E. Hultman, B. Saltin. Diet, muscle glycogen and physical performance. Acta Physiol. Scand. 71, 140-150, 1987.

15) J.B. Charles, D.R. Richardson. Differences in response to central blood volume shifts between aerobic conditioned and unconditioned subjects. Ann. Aerosp. Med. Ass., 3 : 317-318, 1981.

16) W.L. Epperson, R.R Burton, E.M. Bernauer. The effectiveness of specific weight training regimens on simulated aerial combat manoeuvring G tolerane. Aviat. Space. Environn. Med., 53 : 1091-1095, 1982.

17) S.J. Fleck. Cardiovascular adaptations to resistance training. Med. Sci. Sports. Exerc., 20 : 5146-5151, 1988.

18) K.Guilligham. High-stress and orientation stress : physiologic effects of aerial maneuvering. Aviat. Space. Environn. Med., 59 (suppl) :A10-20, 1988.

19) M.N. Khomenko, R.A. Vartbaronov, S.D. Migachyov. Prognostication of flyer’s +Gz tolerance on the base of static muscular strenght endurance. Physiologist, 35 : S126-130, 1992.

20) F. Perronet, R.J. Fergusson, H. Perrault, G. Ricii, D. Lajoie. Echocardiography and the athlete’s heart. Phys. Sports Med., 9 : 102-112,1981.

21) P.H. Raven, M.L. Smith. Physical fitness and its factors affecting orthostatic tolerance. The physiologist, 27 : 55-59, 1984.

22) J. Sheuer, C.M. Tipton. Cardiovascular adaptations to physical training. Am. Rev. Physiol., 39 : 221-251, 1977.

23) P.A. Tesch. Acute and long term metabolic changes consequent to heavy resistance training. Med. Sport Sci., 26 : 48-67, 1987.

COLLABORATIONS :

Laboratoire de Médecine Aérospatiale

ALAT, Le Luc en Provence

Forces Aériennes Royales Marocaines

Ecole Interarmées des Sports

Ecole de l’Air, Salon de Provence

Faculté de Médecine Pitié-Salpétrière . Laboratoire de Physiologie de la Motricité.

Faculté des Sciences Villetaneuse. Laboratoire de Physique des Lasers.

HIA Val de Grâce, Service de Pathologie Cardiovasculaire et Laboratoire d’Optique Biomédicale.

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