The global intent of this research was to confirm the validity of the interpolated twitch technique (ITT) to voluntary torque model (first study) and then to utilize this technique in developing definitive criterion measures enhancing the study of training strategies on central fatigue (second study) and velocity specific (third study) voluntary activation (VA) and force production outcomes. The first study assessed the contribution of non-stimulated synergists to the non-linearity of the ITT voluntary torque relationship for elbow flexion contraction. Since multiple synergist stimulation was found not to significantly improve the ITT to voluntary torque relationship, follow-up pilot work was conducted in which the quadriceps femoris was identified as a valid ITT test model muscle. The first training study investigated the effects of high volume, maximum voluntary isometric contraction (MVIC) resistance training of the quadriceps femoris on MVIC levels of force and VA prior to, during, and recovery from a standardized fatigue test protocol. Results showed significant increases in pre-fatigue MVIC VA and force, increases in resistance to early fatigue, but also increased overall rate of fatigue resulting in non-significant changes in total force volume and endurance time. Post-fatigue analysis showed significant training increases in rate and level of recovery for both MVIC VA and force production. The second training study investigated the effects of high resistance ramp versus ballistic type MVIC strength training of the quadriceps femoris on central adaptations in submaximal and maximal levels of MVIC VA and force production. Results showed similar ramp and ballistic group training increases in MVIC force and VA on both ramp and ballistic tests. Ballistic group, ballistic test change scores were significant but not for the ramp test, suggesting ballistic group test-training specificity. The ballistic group showed significant force increases on the submaximal 150ms ballistic test, while the ramp group showed non-significant training changes, further supporting test-training specificity for the ballistic group. Results support utility of the ITT and provide valuable information with regard to training and test-training specificity considerations.

L’objectif de ce travail était de comparer l’importance de la composante nerveuse dans les différences de production de force entre les enfants et les adultes en tenant compte des conditions mécaniques qui sont susceptibles de l’influencer (longueur musculaire, mode et vitesse de contraction) et des effets de la fatigue. Trente et un garçons pré-pubères de 8-12 ans et 37 hommes de 18-30 ans ont été recrutés et répartis dans les 3 études composant ce projet. La première étude portait sur les effets de la longueur musculaire et de la fatigue sur la production de force et le niveau d’activation maximal volontaire (VA) des extenseurs du genou.La seconde traitait des effets de la longueur musculaire sur la production de force et le VA des fléchisseurs plantaires. Enfin, la troisième portait sur les effets du mode et de la vitesse de contraction sur le VA des extenseurs du genou. Les propriétés neuromusculaires ont été évaluées à l’aide de stimulations magnétiques périphériques et de contractions maximales volontaires. Les résultats montrent un VA des extenseurs du genou supérieur chez l’adulte lors de grande longueur musculaire (90°-100° de flexion) (étude 1), mais aucune différence avec l’enfant à courte longueur musculaire (20° de flexion). En revanche, sur des groupes musculaires tels que les fléchisseurs plantaires, aucun effet de la longueur sur le VA n’a été observé chez les enfants et les adultes (étude 2). En ce qui concerne les effets du mode de contraction, nos résultats montrent que le VA est inférieur en conditions excentrique et concentrique par rapport à la condition isométrique, mais aucune différence n’était observée entre les groupes (étude 3). Toutefois, l’effet de cette baisse de VA sur la production de force variait entre les groupes ; une diminution de force accompagnant la diminution de VA n’était retrouvée que chez l’adulte. Enfin,nous avons montré que la baisse du VA au cours d’un protocole de fatigue est plus conséquente chez les enfants par rapport aux adultes (étude 1), ce qui témoigne de l’existence d’une fatigue centrale majorée chez l’enfant. Une maturation inaboutie et les propriétés musculo-tendineuses particulières de l’enfant (compliance supérieure) pourraient expliquer les résultats obtenus au cours de ce travail. / The purpose of this PhD thesis was to compare the contribution of the maximal voluntary activation level (VA) of the motor units to force production differences between children and adults in various mechanical conditions that affect force production (muscle length, contraction mode and velocity), and in fatigue condition. Thirty one pre-pubertal 8 to 12-year old boys and 37 men (18-30 years) were recruited and allocated into the 3 studies ofthis project. The first study was devoted to compare the effects of muscle length and fatigue on the VA and force generating capacity of the knee extensors between children and adults. In the second study, we compared the effects of muscle length on the VA and force generating capacity of the plantar flexors between children and adults. The third study analysed the effect of contraction mode and velocity on the VA and force generating capacity of the knee extensors between children and adults. Neuromuscular properties were assessed with peripheral magnetic stimulation and maximal voluntary contractions. Results showed a higher VA of the knee extensors in adults at long muscle length (90° and 100° knee flexion) but no difference between children and adults at short length (20° knee flexion; study 1). However, the VA of the plantar flexors was not affected by muscle length changes whatever the age group considered (study 2). Results also showed a higher VA in isometric mode compared to eccentric and concentric conditions whatever the age group (study 3). However, the effect of this VA reduction on force generating capacity differed between groups, a concomitant force reduction being observed in adults, but not in children. Finally, we observed a greater VA reduction and therefore greater central fatigue in children during the fatiguing protocol (study 1). A relative immaturity and the particular musculo-tendinous properties of children (higher compliance) may account for the reported results.

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a widely-used investigative technique in motor cortical evaluation. TMS is now being used in the investigation of fatigue to help partition the effects of central fatigue. Few studies have utilized this technique to evaluate the effects of locomotor exercise and none in conditions of extreme exercise. Therefore, the purpose of this thesis was twofold; first, to answer methodological questions pertaining to the use of TMS in fatigue evaluation, particularly of the quadriceps, and second, to investigate the effects of extreme exercise conditions on the development of central and supraspinal fatigue and corticospinal excitability and inhibition. In Studies 1 and 2, the effect of approaching a target force in different ways before the delivery a TMS pulse and the difference between commonly-employed methods of determining TMS intensity on the selection of optimal TMS intensity were investigated. In Study 3, the effect of one night sleep deprivation on cognitive and exercise performance and central parameters was investigated. The effect of a 110-km ultra-trail on the supraspinal component of central fatigue was evaluated in Study 4. The principal findings from this thesis are that during TMS evaluation during brief voluntary contractions, it is essential to deliver the TMS pulse once the force has stabilized at the target and that a stimulus-response curve at 20% MVC is appropriate for determining optimal TMS intensity in exercise and fatigue studies. Furthermore, while sleep deprivation negatively-impacted cognitive and exercise performance, it did not influence neuromuscular parameters nor result in greater central fatigue. Supraspinal fatigue develops and corticospinal excitability increases during endurance/ultra-endurance running and cycling, while the effects on inhibitory corticospinal mechanisms are equivocal and probably depend on exercise characteristics and TMS intensity

La stimulation magnétique transcrânienne (TMS) est une technique d'investigation classiquement utilisée dans l'évaluation du cortex moteur. La TMS est utilisée dans l'étude de la fatigue afin de distinguer sa composante centrale. Peu d'études ont utilisé cette technique pour évaluer les effets de l'exercice locomoteur et aucune dans des conditions extrêmes. Ainsi, l'objectif de cette thèse était double: d'abord, répondre à certaines questions méthodologiques concernant l'utilisation de la TMS dans l'évaluation de la fatigue, en particulier du muscle quadriceps, et deuxièmement, étudier les effets de l'exercice en conditions extrêmes sur le développement de la fatigue centrale et supraspinal ainsi que sur l’excitabilité et l'inhibition corticospinales. Dans les Etudes 1 et 2, l'effet de différentes approches d'une force cible avant l’application d'une impulsion TMS ainsi que les différences entre les principales méthodes utilisées pour déterminer l'intensité optimale de TMS ont été étudiés. Dans l'Etude 3, l'effet d'une nuit de privation de sommeil sur les performances cognitives et physiques et les paramètres centraux a été étudié. L'effet d'un ultra-trail de 110 km sur la composante supraspinale de la fatigue centrale a été évalué dans l'Etude 4. Les conclusions principales de cette thèse sont, sur le plan méthodologique, i) que lors de l'évaluation par TMS pendant de brèves contractions volontaires, il est essentiel d’appliquer l'impulsion de TMS après que la force produite par le sujet se soit stabilisée à la valeur cible et ii) qu'une courbe stimulus-réponse à 20% de la force maximale volontaire est appropriée pour déterminer l'intensité de TMS optimale dans les études portant sur l'exercice et la fatigue. De plus, bien que la privation de sommeil ait des impacts négatifs sur les performances cognitives et à l'exercice, elle n'a pas d'influence sur des paramètres neuromusculaires ni ne provoque une plus grande fatigue centrale. Une fatigue supraspinale se développe et l’excitabilité corticospinale augmente au cours d’exercices d'endurance/ultra-endurance en course à pied et ne vélo, tandis que les effets sur les mécanismes inhibiteurs corticospinaux sont équivoques et probablement dépendent des caractéristiques de l'exercice et de l'intensité de la TMS / Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a widely-used investigative technique in motor cortical evaluation. TMS is now being used in the investigation of fatigue to help partition the effects of central fatigue. Few studies have utilized this technique to evaluate the effects of locomotor exercise and none in conditions of extreme exercise. Therefore, the purpose of this thesis was twofold; first, to answer methodological questions pertaining to the use of TMS in fatigue evaluation, particularly of the quadriceps, and second, to investigate the effects of extreme exercise conditions on the development of central and supraspinal fatigue and corticospinal excitability and inhibition. In Studies 1 and 2, the effect of approaching a target force in different ways before the delivery a TMS pulse and the difference between commonly-employed methods of determining TMS intensity on the selection of optimal TMS intensity were investigated. In Study 3, the effect of one night sleep deprivation on cognitive and exercise performance and central parameters was investigated. The effect of a 110-km ultra-trail on the supraspinal component of central fatigue was evaluated in Study 4. The principal findings from this thesis are that during TMS evaluation during brief voluntary contractions, it is essential to deliver the TMS pulse once the force has stabilized at the target and that a stimulus-response curve at 20% MVC is appropriate for determining optimal TMS intensity in exercise and fatigue studies. Furthermore, while sleep deprivation negatively-impacted cognitive and exercise performance, it did not influence neuromuscular parameters nor result in greater central fatigue. Supraspinal fatigue develops and corticospinal excitability increases during endurance/ultra-endurance running and cycling, while the effects on inhibitory corticospinal mechanisms are equivocal and probably depend on exercise characteristics and TMS intensity

L’objectif de ce travail était de déterminer i) l’influence du niveau de force absolue sur la durée du temps de maintien, et les altérations neuromusculaires subséquentes chez un même individu à l’issue d’un exercice réalisé à la même intensité relative, avec un ou deux membres ; ii) l’influence de la commande nerveuse sur la capacité de production de force de chacun des muscles extenseurs du genou lors de contractions unilatérales (UL) vs. bilatérales (BL); iii) l’évolution des mécanismes d’activation pendant une série de contractions sous-maximales évoquées par électromyostimulation (EMS).Les résultats de la première étude confirment que le temps limite est dépendant du niveau de force absolu pour un même individu, la durée de la contraction en UL étant 20% plus longue qu’en BL. De plus, une corrélation a été trouvée entre la force lors d’une contraction maximale volontaire (CMV) et le temps limite en UL et BL. Toutefois, d’autres mécanismes semblent être également mis en jeu, car dans un cas les mécanismes sont d’origine nerveux et musculaire (UL), alors que dans l’autre cas les mécanismes sont seulement nerveux (BL). Les résultats de la deuxième étude montrent que la force maximale développée lors d’une contraction BL est inférieure à la somme des forces des contractions UL (i.e. présence d’un déficit bilatéral). Les temps d’apparition des pics de force lors des CMV de chacune des jambes ne sont pas différents de celui de la CMV BL, mais la force développée au cours de celle-ci est inférieure à la somme des CMV de chacune des jambes durant la CMV BL, c'est-à-dire à la force maximale produite par chacune des jambes lors de la CMV BL. Néanmoins, aucune différence d’activité EMG, d’amplitude d’onde M, de doublet et de niveau d’activation n’a été observée entre les conditions UL et BL. Les résultats de la troisième étude montrent que l’estimation de la commande descendante, par la technique de la secousse surimposée, lors d’un effort sous-maximal fatigant présente des biais méthodologiques. Toutefois, l’estimation des mécanismes nerveux par les deux méthodes classiques (niveau d’activation volontaire (NAV) et ratio d’activation centrale (CAR)) reste néanmoins pertinente pendant des contractions maximales volontaires. L’ensemble de nos travaux met en évidence l’intervention de mécanismes d’origine nerveux différents entre les contractions UL et BL / The aim of this work was to determine i) the influence of the level of absolute force on the duration of the endurance time, and subsequent neuromuscular alterations in same individual at the end of an exercise performed at the same relative intensity, with one or two legs, ii) the influence of central drive on the force capacity production of the knee extensor muscles during unilateral (UL) vs. bilateral (BL) contractions, iii) activation mechanisms evolution for a serie of submaximal evoked contractions by electrostimulation (EMS). The results of the first study confirm that the endurance limit depends on the level of absolute force for the same individual, contraction duration for UL is 20% longer than for BL. In addition, a correlation was found between the maximal voluntary contraction force (MVC) and the endurance time in UL and BL. However, other mechanisms also appear to be involved, because in one case the mechanisms are nervous and muscular (UL), while in other cases the mechanisms are only nervous (BL). The results of the second study show that maximal force developed during BL contraction is less than the sum of the forces of UL contraction (i.e. a bilateral deficit). The timing of MVC peak force production during each leg of MVC are not different from that of BL MVC, but the force developed during the latter is less than the sum of MVC in both legs during the BL MVC, i.e. the maximum force produced by each leg during BL MVC. However, no difference in EMG activity, M-wave amplitude, doublet and level of activation was observed between UL and BL conditions. The results of the third study show that the estimation of the central drive, by the technique of superimposed twitch during a submaximal fatiguing effort presents methodological bias. However, estimation of neural mechanisms with both conventional methods (voluntary level activation (VAL) and central activation ratio (CAR)) remains relevant during maximal voluntary contractions. This work évidences the presence of different nervous mechanisms between UL and BL contractions

Ce travail de thèse visait à déterminer l’influence de la durée et du niveau d’entraînement en endurance sur les mécanismes de régulation de la fatigue neuromusculaire et d’une stratégie de modulation de ces mécanismes sur la performance motrice. Ce travail de thèse consistait également à élaborer une nouvelle méthode d’entraînement permettant d’optimiser les stimuli responsables des adaptations résultantes d’un programme de conditionnement physique. Les résultats principaux issus de ces travaux sont présentés dans un résumé plus détaillé en fin de manuscrit. / The present work aimed to determine the influence of exercise duration and endurance training level on the mechanisms underlying neuromuscular fatigue regulation and the effect of a deceptive strategy on exercise performance. This thesis also aimed to elaborate a new training method that would optimize exercise-induced training stimuli that are known to trigger complementary physical abilities adaptations. The main outcomes of these works are detailed in an expanded abstract at the end of the manuscript.