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1_Plasticité musculaire

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1_Plasticité musculaire

  1. 1. Plasticité musculaire et performance 1 04/11/2015B. STEENSTRUP / IRMSHN
  2. 2. Introduction  Le muscle de mammifère présente une grande variabilité de caractéristiques fonctionnelles, comme sa vitesse de contraction, son type de métabolisme énergétique et sa résistance à la fatigue. 2 04/11/2015B. STEENSTRUP / IRMSHN
  3. 3. 1. Classification et terminologie.  Les critères métaboliques, essentiellement enzymatiques, ont été les premiers utilisés pour différencier les types de fibres musculaires. D’après la seule intensité de l’activité succinate déshydrogénase (SDH), Ogata (1958) mettait en évidence trois types de fibres qu’il appelait « rouges » (petit diamètre, activité SDH élevée), « blanches » (grand diamètre, activité SDH faible) et « intermédiaires » (de taille et d’activité SDH moyennes). 3 04/11/2015B. STEENSTRUP / IRMSHN
  4. 4. Propriétés métaboliques des fibres musculaires.  Les fibres rouges à contraction lente (de type I) : Leur couleur rouge est due à l'abondance de myoglobine, qui contient du fer; la myoglobine emmagasine l'oxygène et fait augmenter le taux d'utilisation de l'oxygène par ces fibres musculaires. Elles détiennent un grand nombre de mitochondries, sont richement irriguées. Les graisses sont leur principale source d'énergie. Comme ces fibres peuvent satisfaire presque tous leurs besoins énergétiques par les voies aérobies (tant qu'il y a assez d'oxygène), elles sont très résistantes à la fatigue et possèdent une forte endurance.  Les fibres blanches à contraction rapide (de type II) sont de grosses cellules pâles de diamètre environ deux fois plus important que celui des fibres à contraction lente. Elles possèdent peu de mitochondries, mais leurs réserves de glycogène sont importantes autorisant un fonctionnement par les voies anaérobies. ces cellules se fatiguent vite mais leur grand diamètre leur permet de produire des contractions extrêmement puissantes avant de s'épuiser. Les fibres blanches à contraction rapide sont donc les mieux adaptées pour fournir des mouvements de force rapide pendant de courtes périodes. 4 04/11/2015B. STEENSTRUP / IRMSHN
  5. 5. Propriétés métaboliques des fibres musculaires. 5  Les fibres intermédiaires sont des fibres rouges qui, par leur taille, se situent entre les deux autres types de fibres. De même que les fibres blanches leurs contractions sont rapides ; cependant, leurs besoins en oxygène, leur forte teneur en myoglobine et leur grande vascularisation les rapprochent plutôt des fibres rouges à contraction lente. Comme leur fonctionnement repose en grande partie sur des processus aérobies, elles sont résistantes à la fatigue, mais dans une moindre mesure que les fibres rouges à contraction lente. 04/11/2015B. STEENSTRUP / IRMSHN
  6. 6. Classification des fibres musculaires 6 Type I : Muscles posturaux et stabilisateurs Type II : Muscles balistiques et de force Type intermédiaire : Adaptation à la physiologie Ranvier L. Propriétés et structures différentes des muscles rouges et des muscles blancs, chez les lapins et chez les raies. CR Hebd Acad Sci 1873;77:1030-43 Pette D, Staron RS. Cellular and molecular diversities of mammalian skeletal muscle fibers. Rev Physiol Biochem Pharmacol 1990;116:1-76. 04/11/2015B. STEENSTRUP / IRMSHN
  7. 7. Répartition des fibres musculaires  Chez l'humain, au contraire d'autres espèces, la séparation anatomique des différents types de fibres n'est pas clairement délimitée et bien que certains muscles soient plutôt de tendance rapide ou lente, plusieurs types de fibres coexistent au sein d'un même muscle  La plupart des muscles du corps comportent un mélange des différents types, ce qui leur confère une certaine vitesse de contraction et une certaine résistance à la fatigue.  Par exemple, les muscles des marathoniens comprennent un fort pourcentage de fibres à contraction lente (environ 80 %), alors que ceux des spécialistes du sprint possèdent un plus fort pourcentage de fibres à contraction rapide (environ 60 %). Chez les haltérophiles, il semble que les fibres à contraction rapide et lente se trouvent en quantité à peu près égale. N. Holzer, J.-L. Ziltener, J. Menetrey. Plasticité du muscle strié squelettique : effet de l'entraînement et perspectives Rev Med Suisse 2006;74 7 04/11/2015B. STEENSTRUP / IRMSHN
  8. 8. Innervation des fibres musculaires  Toutes les fibres musculaires d'une unité motrice donnée sont du même type. 8 Fibres type 1 Fibres type 2 04/11/2015B. STEENSTRUP / IRMSHN
  9. 9. 2. Plasticité des fibres musculaires  L’immobilisation  La dénervation transitoire  La stimulation phasique de haute fréquence  La stimulation basse fréquence  L’exercice musculaire volontaire  Phase post lésionnelle 9 04/11/2015B. STEENSTRUP / IRMSHN
  10. 10. Exemples de l’immobilisation et la ténotomie  Réduction du nombre des unités motrices  Diminution de la capacité d’oxydation  Modification de la typologie des myofibrilles  Diminution des fibres exprimants les isoformes de la myosine (vitesse de contraction, utilisation de l’ATP)  Réduction des activités enzymatiques des mitochondries  Diminution de la force 10 04/11/2015B. STEENSTRUP / IRMSHN
  11. 11. Exemple de la dénervation transitoire  Chute rapide de la masse musculaire  Augmentation de la synthèse de collagène  Diminution en glycogène des muscles squelettiques (capacité de synthèse ET de transport)  Atrophie des fibres musculaires, plus prononcée pour les fibres de type 2 (1)  Diminution de l’activité des cellules souches satellites 11 1. Pulliam DL, April EW (1979) Degenerative changes at the neuromuscular junctions of red, white and intermediate muscle fibers. Part 1. Response to short stump nerve section. J Neurol Sci 43:205–222 04/11/2015B. STEENSTRUP / IRMSHN
  12. 12. Exemple de la dénervation transitoire Phase de réinnervation Inversion du phénomène d’atrophie des fibres musculaires. Récupération progressive de la masse musculaire liée au degré de réinervation et corrélée à la force max de contraction. 12 04/11/2015B. STEENSTRUP / IRMSHN
  13. 13. Exemple de la stimulation phasique de haute fréquence La PHFS induit la transition de fibres musculaire lentes vers un phénotype plus rapide. Il y a donc des éléments exogènes de contrôle régissant les changement de coordonnées de l’expression des gènes. Talmadge RJ, Roy RR, Edgerton VR. Prominence of myosin heavy chain hybrid fibers in soleus muscle of spinal cord-transected rats. J Appl Physiol 1995;78:1256-65. Lomo T, Westgaard RH, Dahl HA. Contractile properties of muscle : Control by pattern of muscle activity in the rat. Proc R Soc Lond B Biol Sci 1974;187:99-103. 13
  14. 14. Exemple de la stimulation basse fréquence (Chronic Low Frequency Stimulation) 14 La CLFS imite l’activité des motoneurones des muscles lents. Les modifications observées sont: Modification dans phosphorylation du glucose = Augmentation de l’activité contractile Changement séquentiel des isoformes de myosine et de troponine = Modification de la vitesse de contraction Modification de la quantité de parvalbumine = Allongement du temps de relaxation Modification densité ET volume mitochondrial Salmons S, Vrbova G. The influence of activity on some contractile characteristics of mammalian fast and slow muscles. J Physiol 1969;201:535-49. 04/11/2015B. STEENSTRUP / IRMSHN
  15. 15. Exemple de la stimulation basse fréquence  Ces modifications commencent dès 24h par un 1er pic puis se renouvèle si on maintient la stimulation  D’abord dans les fibres de type 1 et un sous groupe de type 2  Détectable dans toutes les fibres après 21 jours après le début de la stimulation 15 04/11/2015B. STEENSTRUP / IRMSHN
  16. 16. Exemple de la stimulation basse fréquence  Ainsi, il est possible d'induire une transition vers un phénotype de muscle lent en stimulant artificiellement le nerf d'un muscle rapide de manière continue à une fréquence de 10-30 Hertz (CLFS).  L'étendue des changements d'isoformes est corrélée à la composition originale du muscle étudié ainsi qu'à la durée de la stimulation, démontrant l'existence d'une relation dose-réponse. Jaschinski F, Schuler M, Peuker H, Pette D. Changes in myosin heavy chain mRNA and protein isoforms of rat muscle during forced contractile activity. Am J Physiol 1998;274:C365-70. 24 Conjard A, Peuker H, Pette D. Energy state and myosin heavy chain isoforms in single fibres of normal and transforming rabbit muscles. Pflugers Arch 1998; 436:962-9. 25 Mayne CN, Sutherland H, Jarvis JC, et al. Induction of a fast-oxidative phenotype by chronic muscle stimulation : Histochemical and metabolic studies. Am J Physiol 1996;270:C313-20. 16
  17. 17. Exemple de l’exercice musculaire volontaire Exemple: course de fond, cyclisme, natation, marche rapide. Augmentation du nombre de capillaires Augmentation du nombre de mitochondries Augmentation de la synthèse de myoglobine. Ces changements se produisent surtout dans les fibres blanches à contraction rapide. Pas d’hypertrophie notable des muscles squelettiques. Exemple : Haltérophilie, exercices isométriques à plus de 75 % de la force maximale. Augmentation du volume musculaire Augmentation du nombre de mitochondries. Dilatation de chaque fibre musculaire (surtout les fibres blanches à action rapide) Augmentation du nombre de myofilaments et de myofibrilles, Formation de réserves de glycogène plus importantes. Augmentation du collagène intercellulaire 17 Exercice aérobie, ou d'endurance Exercice anaérobie ou de force 04/11/2015B. STEENSTRUP / IRMSHN
  18. 18. Exemple de l’exercice musculaire volontaire Les changements d'isoformes de protéines contractiles obtenus par exercice musculaire volontaire vont dans le même sens que ceux obtenus par stimulation électrique. Le tissu musculaire squelettique est capable de s'adapter à sa charge fonctionnelle. Ce mécanisme aboutit à un changement de phénotype musculaire en induisant l'expression de gènes impliqués dans des processus comme l'hypertrophie du muscle, la transition de types de fibres musculaires et la biogenèse mitochondriale. L’augmentation de fréquence des cycles excitation-contraction est décodée par plusieurs senseurs calciques, permettant l'expression ciblée, selon le type d'exercice effectué, de protéines comme la cytochrome oxydase. Les variations du ratio intracellulaire ATP/AMP activent une protéine : l'AMPK (5'-AMP- activated protein Kinase) initiant l'expression de gènes métaboliques. Rôle de la pression partielle d'oxygène intracellulaire dans la plasticité musculaire. 18 Berchtold MW & al. Calcium ion in skeletal muscle : Its crucial role for muscle function, plasticity, and disease. Physiol Rev 2000;80: 1215-65. Freyssenet D, Di Carlo M, Hood DA. Calcium-dependent regulation of cytochrome c gene expression in skeletal muscle cells. Identification of a protein kinase c- dependent pathway. J Biol Chem 1999;274: 9305-11. Bergeron R & al. Chronic activation of AMP kinase results in NRF-1 activation and mitochondrial biogenesis. Am J Physiol Endocrinol Metab 2001;281:E1340-6. Hood DA. Contractile activity-induced mitochondrial biogenesis in skeletal muscle. J Appl Physiol 2001;90:1137-57. Fluck M, Hoppeler H. Molecular basis of skeletal muscle plasticity - from gene to form and function. Rev Physiol Biochem Pharmacol 2003;146:159-216. 04/11/2015B. STEENSTRUP / IRMSHN
  19. 19. Phase du dopage….bien sûr! Anabolisant (Un exemple parmi tant d’autres) « Un traitement au clenbutérol à des doses dopantes pendant trois semaines a permis d'établir chez le rat une cinétique des adaptations musculaires induites, à savoir une hypertrophie associée à une conversion typologique vers un profil plus rapide/glycolytique. Ces adaptations étaient associées à une activation transitoire de l'expression de gènes potentiellement impliquées dans l'hypertrophie musculaire : l'IGF-1, le MGF, la myogénine et le MCIP-1. » 19 Plasticité du muscle squelettique et méthodes ergogènes : aspects métaboliques et structuraux. O Galbes 04/11/2015B. STEENSTRUP / IRMSHN
  20. 20. Phase post lésionnelle  Activation des cellules satellites souches : 24 à 48h  Ré-inervation par un axone moteur  Plusieurs fibres collatérales se regroupent autour d’un axone moteur.  Les cellules souches ne se différencient ensuite qu’à partir de la 2e semaine (1)  Architecture normalisée à 30 jours  Augmentation de la masse musculaire, diamètre normal à 3 mois  C’est la réinervation qui conditionne la différenciation histo-enzymologique 20 Reconstitution post lésionnelle de la structure et de la fonction musculaire (1) Ten Broek RW, Grefte S, Von den Hoff JW. Regulatory factors and cell populations involved in skeletal muscle regeneration. J Cell Physiol. 2010 Jul;224(1):7-16.
  21. 21. 3 : Innervation motrice et matrice extracellulaire 21 04/11/2015B. STEENSTRUP / IRMSHN
  22. 22.  Dénervation, ténotomie, immobilisation attestent l’importance de l’innervation et de l’activité motrice dans le maintien des propriétés des muscles.  Les propriétés contractiles et métaboliques des muscles squelettiques sont sous la dépendance du type de motoneurone innervant les fibres musculaires. 22 Innervation motrice et plasticité neuro corticale 04/11/2015B. STEENSTRUP / IRMSHN
  23. 23. Innervation motrice et plasticité neuro corticale 23 Exemple du LBP et du réentraînement musculaire 1.Plasticité cérébrale (Épaisseur substance grise (1) et concentration neurotransmetteurs (2) 2.Neuro synaptique (NGF, protéines synaptiques) (3,4) 3.Histologique (rapport fibres phasique/tonique) (5,6) 4.Trophique (Volume) (7) 1. Apkarian AV, Baliki MN, Geha PY. Towards a theory of chronic pain. Progress in neurobiology. 2009;87(2):81-97 2. Wand BM, et al., Cortical changes in chronic low back pain: Current state of the art. Manual Therapy, doi:10.1016/j.math.2010.06.008 3. Neural Mechanisms of Discogenic Back Pain: How Does Nerve Growth Factor Play a Key Role? 4. Yasuchika Aoki, Seiji Ohtori, Koichi Nakagawa & Al. Korean J Spine 8(2):83-87, 2011 5. A biopsy study on LPB patients groups and healthy control subjects. Eur. J. Phys. Rehab. Med. 2009 6. Mazis N & al. The effect of different physical activity levels on muscle fiber size and type distribution of lumbar multifundus 7. Hides & al ; Long-term effects of specific stabilizing exercices for first episode low back pain. Spine 2001 04/11/2015B. STEENSTRUP / IRMSHN
  24. 24. Innervation motrice et plasticité neuro corticale 24 Exemple de l’activité physique : Impact cognitif Physical activity and neuroplasticity - Erickson et al Dialogues in Clinical Neuroscience - Vol 15 . No. 1 . 2013 04/11/2015B. STEENSTRUP / IRMSHN
  25. 25. 3 : Matrice extra-cellulaire  La plasticité du muscle strié squelettique implique l'existence de mécanismes permettant de détecter des changements d'activité contractile et environnementaux. 25 N. Holzer, J.-L. Ziltener, J. Menetrey. Plasticité du muscle strié squelettique : effet de l'entraînement et perspectives Rev Med Suisse 2006;74 F. Relaix, P. S. Zammit. Satellite cells are essential for skeletal muscle regeneration: the cell on the edge returns centre stage. Development: 2012; 139, 2845-2856
  26. 26. 3 : Matrice extracellulaire 26  Chaque fibre musculaire est enveloppée par un réseau filamenteux complexe de macromolécules extracellulaires interactives qui constitue la matrice extracellulaire.  Dans cette matrice se trouve les cellules souches (1 – 5%), en plus grande proportion dans les muscles rouges aérobies. (1)  Les dernières études montrent que les cellules satellites sont activés lors des processus de réparation (2), mais aussi d’hypertrophie liée à l’entrainement, et enfin lors des processus de modification de phénotype musculaire. (3) 1. Schultz E. Satellite cell behavior during skeletal muscle growth and regeneration. Med Sci Sports Exerc 1989;21:S181–186 2. Relaix F, Zammit PS. Satellite cells are essential for skeletal muscle regeneration: the cell on the edge returns centre stage. Development. 2012 Aug;139(16):2845-56 3. Yin H, Price F, Rudnicki MA. Satellite Cells and the Muscle Stem Cell Niche. Physiological Reviews. 2013;93(1):23-67 04/11/2015B. STEENSTRUP / IRMSHN
  27. 27. 3 : Matrice extra-cellulaire Milieu dur : Synthèse de cellules osseuses à partir de cellules souches indifférenciées Milieu mou : Synthèse de cellules musculaires à partir de cellules souches indifférenciées 27 Buxboim A, Discher DE. Stem cells feel the difference. Nature methods. 2010;7(9):695-697. Sensibilité des cellules souches au milieu physique 04/11/2015B. STEENSTRUP / IRMSHN
  28. 28. 3 : Matrice extra-cellulaire 28 Hématome ? Ostéome ? Buxboim A, Discher DE. Stem cells feel the difference. Nature methods. 2010;7(9):695-697 04/11/2015B. STEENSTRUP / IRMSHN
  29. 29. Synthèse : Processus de plasticité musculaire 29 Activité physique Plasticité corticale Plasticité neuro- synaptique Matrice extracellulaire Myofibre Compensatoire Non compensatoire Ratio des motoneurones Modifications Phénotypiques Performance Informations sensorielles 04/11/2015B. STEENSTRUP / IRMSHN
  30. 30. Conclusion  Les fibres musculaires sont capables de changements cyto-architecturaux et phénotypiques.  La plasticité de la fibre musculaire ne survient pas en une seule étape mais par une séquence orchestrée de répression et d’induction des gènes qui suggère l’existence de mécanismes régulateurs clés : plasticité cérébrale, neuro-corticale et expression de la matrice extracellulaire. 30 04/11/2015B. STEENSTRUP / IRMSHN

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