L’érythropoïétine (EPO) est une cytokine ayant un rôle important dans l’homéostasie de l’oxygène (O2). Lors d’une hypoxie chronique, l’EPO stimule la maturation des progéniteurs érythroïdes en globules rouges augmentant ainsi le transport de l’O2 aux tissus. Outre cet effet érythropoïétique, l’EPO module la réponse ventilatoire à l’hypoxie (RVH) par une action directe sur la commande centrale respiratoire (CCR) et les chémorécepteurs périphériques. Cet effet a été principalement caractérisé chez des souris mutantes surexprimant l’EPO. Cependant, plusieurs aspects de l’effet de l’EPO sur l’activité du réseau respiratoire demeurent inconnus. Nous avons utilisé des approches électrophysiologiques, pharmacologiques et pléthysmographiques pour caractériser 1) les effets aigus d’EPO exogène sur la chémosensibilité à l’O2 chez la souris au cours du développement post-natal, période où la CCR et les chémorécepteurs périphériques sont en pleine maturation, 2) les effets de traitements aigu et chronique d’EPO et de son dérivé non érythropoïétique, l’EPO carbamylée (C-EPO), sur la réponse ventilatoire induite par des variations des niveaux d’O2 inspirés chez la souris adulte. 3) les effets de l’EPO sur la sensibilité chimique au CO2, le CO2 étant un puissant stimulus de la CCR, chez des souris adultes qui surexpriment l’EPO au niveau central et/ou plasmatique. Nos résultats montrent qu’une application aigüe d’EPO diminue la dépression centrale hypoxique mesurée in vitro chez le nouveau-né. En revanche, elle n’affecte pas la RVH mesurée in vivo au cours du développement postnatal mais diminue la fréquence des apnées survenant en hypoxie sévère à 6% d’O2. Aussi, chez la souris adulte, l’administration chronique d’EPO et de C-EPO augmente la sensibilité des chémorécepteurs périphériques à l’O2 et maintient la ventilation durant la phase tardive de la RVH. Enfin, l’EPO diminue la sensibilité ventilatoire à l’hypercapnie grâce à des effets périphériques et centraux. L’ensemble de nos résultats montrent que l’EPO module la respiration et contribue à l’homéostasie de l’O2 et du CO2 grâce à ses effets plasmatiques et centraux. Elle représente un candidat à fort potentiel thérapeutique pour les pathologies respiratoires où la sensibilité chimique à l’O2 et au CO2 sont altérés telles que l’apnée du nouveau-né ou le mal chronique des montagnes. / Erythropoietin (EPO) is a cytokine that plays a major role in O2 homeostasis. Upon chronic hypoxia, EPO stimulates the maturation of erythroid progenitors into red blood cells, contributing to increased O2 carrying to tissues. Besides this well-known erythropoietic effect, EPO also modulates the respiratory response to hypoxia by interacting with the central respiratory network in the brainstem and the peripheral chemoreceptors. This effect was mainly characterized in adult mutant mice that overexpress EPO. Several aspects regarding EPO’s effect on breathing regulation remain unknown. By using electrophysiological, pharmacological and plethysmographic approaches, we characterized 1) the acute effect of exogenous EPO on the respiratory network during the postnatal period, in which this system undergoes profound changes, 2) the effects of acute and chronic exogenous EPO administration and its non erythropoietic derivative carbamylated EPO (C-EPO) on ventilatory response to varying O2 levels in adult wild type mice (WT), 3) the EPO’s effect on the CO2 sensitivity at central and/or peripheral levels in adult mutant mice which overexpress EPO, the CO2 being a strong stimulus of the central respiratory network. Our results show that acute EPO treatment increases the O2 sensitivity of the central respiratory network in newborn mice in vitro. However, EPO does not impact the hypoxic ventilatory response to hypoxia in vivo, but decreases the apneic events during severe hypoxia in mice at postnatal day 7. In WT adults, chronic but not acute EPO and C-EPO treatment increases the O2 sensitivity by stimulating both the peripheral chemoreceptor and the central respiratory network. Finally, both cerebral and plasmatic EPO blunt the ventilatory response to increased CO2 levels in adult mice. Taken together, these results imply that EPO, by acting on the ventilatory system, plays a key role in the modulation of the chemical sensitivity to O2 and CO2. Thus, EPO may have a potential clinical interest in the treatment of some chronic respiratory diseases where O2 and CO2 homeostasis are altered, such as neonatal apnea or chronic mountain sickness.

La performance en canoë-kayak de vitesse a été associée à la consommation maximale d'O2 (VO2max), au seuil lactate, ainsi qu'à l'aptitude anaérobie et à des qualités musculaires. Or, les particularités physiologiques du canoë-kayak de vitesse suggèrent que la composante périphérique du système aérobie, et plus particulièrement la capacité d'extraction d'O2 musculaire, serait un déterminant important de la performance. Une bonne compréhension des déterminants physiologiques de la performance est cruciale pour que les programmes d'entraînement et les tests utilisés pour le suivi des adaptations à l'entraînement chez les athlètes soient appropriés. Avec l'avènement d'appareils de spectroscopie dans le proche infrarouge portables et abordables, il est maintenant possible de mesurer les changements d'oxygénation musculaire (SmO2) de différents muscles actifs à l'effort. Ainsi, les objectifs des quatre articles inclus dans cette thèse étaient de caractériser les changements d'oxygénation musculaire à l'effort et en réponse à différents types d'entraînement afin de mieux comprendre le rôle des adaptations périphériques dans la performance en canoë-kayak de vitesse et d'explorer l'effet de différents types d'entraînement sur ces paramètres physiologiques et sur la performance. L'étude 1, examinant l'association entre les paramètres d'oxygénation musculaire et la performance au 200 m, 500 m et 1000 m, permet de conclure que l'extraction maximale d'O2 dans les muscles étudiés est le meilleur prédicteur de performance sur les trois distances, et suggère que l'extraction d'O2 est un meilleur prédicteur de performance que le VO2max en canoë-kayak de vitesse. Dans l'étude 2, l'évaluation de la réponse physiologique aiguë à diverses séances d'entraînement par intervalles indique que les séances d'entraînement par intervalles de sprint (SIT), comparativement aux séances d'entraînement par intervalles courts (HIIT), permettent d'induire les niveaux de SmO2 les plus faibles et d'accumuler le plus de temps à SmO2 faible, ce qui en ferait potentiellement un stimulus de choix pour générer des adaptations de la capacité d'extraction d'O2 musculaire. L'étude 3 visait à évaluer les changements d'oxygénation musculaire en réponse à un camp d'entraînement chez des athlètes élites, pour évaluer si l'entraînement actuellement prescrit chez les kayakistes suscite des adaptations périphériques. Suite au camp d'entraînement, l'amélioration de la performance sur 200 m et 1000 m était concomitante à une SmO2 réduite, suggérant une amélioration de la capacité d'extraction d'O2 chez les athlètes. Finalement, dans la dernière étude de cette thèse, l'effet d'un programme de SIT ou de HIIT sur les paramètres d'oxygénation musculaire et sur la performance au 200 m, 500 m et 1000 m a été mesuré, afin d'évaluer si les séances générant des niveaux de SmO2 faibles et soutenus présentaient un stimulus optimal pour l'amélioration de la capacité d'extraction d'O2. Le HIIT a permis d'améliorer la performance dans les trois contre-la-montre, alors que l'amélioration de performance était non significative après le SIT. Le VO2max était inchangé suite à l'entraînement, mais la désoxygénation maximale atteinte dans le contre-la-montre de 1000 m était accrue en réponse aux deux formes d'entraînement. Au 1000 m, l'amélioration de la performance avec l'entraînement était associée à l'augmentation de la désoxygénation maximale atteinte dans les muscles grand dorsal et vaste externe, spécialement dans le groupe HIIT. Alors que ces résultats ne supportent pas l'hypothèse que le SIT serait un meilleur stimulus pour générer des adaptations périphériques comparativement au HIIT, ils mettent en évidence la contribution des adaptations périphériques à la performance en kayak de vitesse. Ainsi, les résultats présentés dans cette thèse permettent une meilleure compréhension de la demande physiologique du canoë-kayak de vitesse et attestent du rôle des adaptations périphériques du système aérobie, et plus particulièrement de la capacité d'extraction d'O2 musculaire, comme déterminant physiologique de la performance. Ils permettent de confirmer que l'entraînement est associé à une augmentation de la capacité d'extraction d'O2, et que cette dernière est associée à l'augmentation de la performance. Devant ces résultats, il devient évident que l'entraînement des athlètes de canoë-kayak de vitesse devrait, entre autres, viser une optimisation des adaptations périphériques. La mesure des changements d'oxygénation musculaire à l'effort lors de tests, de séances d'entraînement et de contre-la-montre peut fournir une information précieuse sur le profil de l'athlète, permettre d'identifier les composantes physiologiques à optimiser chez l'athlète et d'évaluer sa réponse au programme d'entraînement, et serait un outil pertinent à ajouter au suivi effectué auprès des athlètes de canoë-kayak / Performance in sprint canoe-kayak has been associated with maximal O2 uptake (VO2max), lactate threshold, as well as anaerobic fitness and muscle qualities. However, the physiological peculiarities of sprint canoe-kayak suggest that the peripheral component of the aerobic system, and more precisely the muscle O2 extraction capacity, is an important determinant of performance. A good understanding of the key performance indicators is crucial to validate training programs and tests used to monitor training adaptations in athletes. With the advent of portable and affordable near infrared spectroscopy devices, it is now possible to measure changes in muscle oxygenation (SmO2) in different active muscles during exercise. Thus, the goals of the four articles included in this thesis were to characterize the changes in muscle oxygenation during exercise and in response to different types of training in order to better understand the role of peripheral adaptations in sprint canoe-kayak performance and explore the effect of different types of training on these physiological parameters and on performance. Study 1, examining the association between muscle oxygenation parameters and 200m, 500m and 1000m performance in provincial to international level canoe-kayak athletes, concludes that maximal O2 extraction in the muscles studied is the best predictor of performance over all three distances, and suggests that O2 extraction is a better predictor of performance than VO2max in sprint canoe-kayak. In Study 2, the evaluation of the acute physiological response to various interval training sessions indicated that sprint interval training (SIT), compared to short interval training (HIIT), induces the lowest SmO2 levels and cumulates the longest time at low SmO2, potentially making it a stimulus of choice to generate muscle O2 extraction adaptations, and therefore improve performance in sprint canoe-kayak. Study 3 assessed changes in muscle oxygenation in response to a 3-week training camp in a group of elite athletes, to assess whether the training usually prescribed to kayakers elicits peripheral adaptations. After the training camp, the improvement in performance over 200m and 1000m was concomitant with reduced SmO2, suggesting an improvement in O2 extraction capacity. Finally, in the last study of this thesis, the effect of a SIT or HIIT program on muscle oxygenation parameters and on performance over 200m, 500m and 1000m was measured, in order to assess whether sessions generating low and sustained levels of SmO2 present an optimal stimulus for improving O2 extraction capacity. HIIT improved performance in all three time trials, while performance improvements were trivial after SIT. VO2max was unchanged after training, but the maximum deoxygenation achieved in the 1000m time trial was increased in response to both training types. In the 1000m, the increase in performance with training was associated with the increase in maximal deoxygenation in the latissimus dorsi and vastus lateralis muscles, especially in the HIIT group. While these results do not support the hypothesis that SIT would be a better stimulus than HIIT to induce peripheral adaptations, they do highlight the important contribution of peripheral adaptations to sprint kayaking performance. Thus, the results presented in this thesis allow for a better understanding of the physiological demand of sprint canoe-kayak and attest to the role of peripheral adaptations, and more specifically of the muscle O2 extraction capacity, as a physiological determinant of performance. They confirm that training is associated with increased O2 extraction capacity, and that the latter is associated with increased performance. Given these results, it becomes clear that the training of sprint canoe-kayak athletes should aim at optimizing peripheral adaptations. Measuring changes in muscle oxygenation during exercise during tests, training sessions and time trials can provide valuable information on the athlete's profile, help identify the physiological components to be optimized and assess the athlete's response to the training program, and would be a valuable tool to add to the monitoring performed with canoe-kayak athletes.

Le thème central de ce travail a consisté en l’étude et la mise en évidence des interactions existant entre le métaboréflexe et le chémoréflexe lors de l’exercice.<p><p>L’effort physique est associé à une augmentation de la ventilation, de la fréquence cardiaque ainsi que de la pression artérielle. Ces effets sont médiés au moins en partie par l’activation du métaboréflexe musculaire, et peuvent être amplifiés par le chémoréflexe ventilatoire. Le métaboréflexe et le chémoréflexe impliquent nécessairement une activation du système nerveux orthosympathique. La fonction du métaboréflexe est d’optimaliser le transport d’oxygène à destination des muscles participant à l’exercice, ce qui s’accompagne d’une vasoconstriction dans les autres territoires vasculaires. La fonction du chémoréflexe est de maintenir la capnie et d’apporter une correction ventilatoire à l’acidose métabolique et éventuellement à l’hypoxémie survenant au cours d’efforts effectués en résistance. Une sollicitation excessive du métaboréflexe et du chémoréflexe peut limiter l’aptitude à l’effort en amplifiant les sensations de dyspnée (augmentation des équivalents ventilatoires) et en limitant le transport d’oxygène (augmentation de la pression artérielle limitant le débit cardiaque). <p><p>L’étude des adaptations cardiovasculaires et ventilatoires ainsi celles du système nerveux sympathique en réponse à un exercice réalisé en hypoxie peut se révéler intéressante à plusieurs niveaux.<p>Une telle étude devrait permettre de mieux comprendre la limitation de l’aptitude à l’effort des sujets sains en altitude. En effet, depuis plusieurs décennies, l'entraînement en altitude est fréquemment utilisé par les athlètes d'endurance. Cette méthode de préparation physique, qui consiste à séjourner et s'entraîner plusieurs semaines à moyenne altitude (2000-2800m), vise à améliorer temporairement la performance aérobie lors du retour au niveau de la mer. Cette étude pourrait également présenter un intérêt pour les travailleurs en altitude mais également de manière générale à toutes les personnes effectuant des séjours en montagne.<p>Les métaborécepteurs et les chémorécepteurs contribuent directement aux ajustements cardio-vasculaires et ventilatoires durant un exercice statique réalisé en situation d’hypoxie<p><p>C’est pourquoi, dans une première étude, nous avons souhaité différencier précisément les actions respectives du métaboréflexe et du chémoréflexe lors d’un exercice en hypoxie chez une population de sujets jeunes et en bonne santé. Nous avons donc voulu vérifier l’hypothèse selon laquelle les métaborécepteurs joueraient un rôle important dans l’activation sympathique et l’élévation tensionnelle en réponse à un exercice isométrique en hypoxie. <p>Nous avons montré que durant l’effort en hypoxie, les métaborécepteurs et les chémorécepteurs interviennent de manière différente dans les réponses sympathiques, cardiovasculaires et ventilatoires.<p>L’activation du système nerveux sympathique en réponse à un exercice en hypoxie est principalement médiée par les métaborécepteurs.<p>Ces derniers jouent également un rôle prépondérant dans l’élévation tensionnelle. <p>L’élévation de la ventilation est médiée aussi bien par les métaborécepteurs que par les chémorécepteurs.<p>Par contre, les métaborécepteurs jouent un rôle mineur dans l’élévation de la fréquence cardiaque lors d’un exercice isométrique en hypoxie.<p><p>Lors d’une deuxième étude, nous nous sommes intéressés aux effets du vieillissement sur la contribution du métaboréflexe et du chémoréflexe, toujours durant un effort en hypoxie.<p>L’âge réduit la sensibilité du métaboréflexe. Par contre, l’âge n’affecte pas le chémoréflexe. Les effets de l’âge sur l’interaction des deux réflexes sont méconnus. Nous avons donc testé l’hypothèse selon laquelle l’effort isométrique en hypoxie (maximum de stimulation métaboréflexe) chez le sujet âgé s’accompagne d’une moindre activation sympathique, d’une moindre montée de la pression artérielle, et d’une réponse ventilatoire identique par rapport à celle observée chez le sujet jeune. <p>Nous avons observé une moindre activation sympathique en réponse à l’exercice aussi bien en normoxie qu’en hypoxie chez les sujets plus âgés, subsistant lors de l’arrêt local de la circulation, permettant d’isoler la contribution du métaboréflexe lors de l’exercice.<p>Nous en avons conclu que malgré le fait que l’âge réduise la sensibilité des métaborécepteurs, ceux-ci restent des déterminants majeurs de l’activation orthosympathique lors d’un effort réalisé en hypoxie chez les sujets plus âgés.<p><p>\ / Doctorat en Sciences de la motricité / info:eu-repo/semantics/nonPublished