Réponses physiologiques des muscles squelettiques humains à un exercice aigu de BFR évaluées par IRM multimodale

Une fois positionnés dans l’IRMf et après avoir effectué les scanners de base, les sujets ont effectué trois protocoles d'exercice d'extension unilatérale du genou (amplitude de mouvement (ROM) : 10-70 de flexion, 0 degrés = extension complète) en portant une botte sur mesure conçue pour mettre des blocs de poids en plomb afin de fournir la charge d'exercice externe (voir l'illustration de la figure 1).  

Dans l'ensemble, les répétitions de l'extenseur du genou ont été effectuées au même rythme et toutes les séries ont été espacées de 50 secondes de repos au cours desquelles des examens IRM ont été effectués pour évaluer le flux sanguin macro vasculaire en R2 et R2'. Après chaque protocole d'exercice, les mêmes mesures ainsi que les scans de diffusion ont été répétés. L'attribution droite-gauche des protocoles d'exercice a été équilibrée de telle sorte que la moitié des sujets (n = 6) ont effectué l'exercice BFR-20 avec la jambe droite et les deux protocoles de libre circulation (FF-20WM et FF-50) sur la jambe gauche tandis que l'autre moitié (n = 5) a effectué l'exercice BFR-20 sur la jambe gauche et les protocoles de libre circulation sur la droite. Au cours des 166 jours d'expérience, les participants ont effectué les exercices BFR-20, FF- 20WM et FF-50 dans cet ordre. Tous les participants ont accepté de s'abstenir de toute activité vigoureuse pendant au moins 24 heures avant de participer aux présentes procédures d'étude.

Test de force musculaire maximale et familiarisation 

Au moins 48 heures avant le jour de l'expérience, les participants se sont rendus au laboratoire pour l'évaluation de la 5RM (la force musculaire maximale pour 5 répétitions), à partir de laquelle les charges à 1RM ont été estimées, ainsi que pour se familiariser avec le protocole d’exercice BFR. Après un échauffement standardisé de 5 minutes sur un vélo ergomètre, les sujets ont effectué un test 5RM unilatéral (estimé à partir de la jambe droite), en position couchée (Figure 1). Après avoir terminé le test RM, tous les sujets ont effectué deux séries d'exercices BFR jusqu'à l'échec avec une charge correspondant à 20% de 1RM avec leur jambe droite pour la familiarisation. 

La diffusion, ainsi que les données R2 et R2' ont été acquises sur le même champ de vision (475 x 215 mm) couvrant une tranche transaxiale des deux jambes au milieu du fémur et comprenaient la suppression de la graisse avec récupération par inversion adiabatique spectrale (SPAIR). Les scans ont été effectués sur un scanner Philips 3T Achieva dStream avec une bobine antérieure à 16 canaux attachée sur les cuisses des deux jambes. Après chaque exercice, le placement de la bobine a été contrôlé pour éviter tout déplacement. Le flux sanguin musculaire a été calculé à l'aide de l'IRM à contraste de phase (PC-MRI). Les vaisseaux artériels et veineux macro vasculaires dans les muscles du quadriceps ont été identifiés en utilisant un seuil adaptatif de dix pour cent au-dessus de la vitesse absolue moyenne de l'eau dans le quadriceps. Le temps d'acquisition était d'environ 10 secondes. Pour corriger les différences de taille musculaire entre les sujets, toutes les valeurs de débit sanguin macro vasculaire ont été normalisées à une section transversale du muscle quadriceps à mi-cuisse de 100 cm2 en multipliant les valeurs de débit par un facteur de 100 cm2/CSA.

Les valeurs de base R2' étaient de 15,8 ± 3,5 s-1 sans différence significative entre la jambe pour effectuer l'exercice BFR ou FF. L'oxygénation du sang a diminué pendant l'exercice BFR- 20, comme le montre l'augmentation des valeurs R2' (p<0,01) qui était de 13,6 % supérieure à la ligne de base en moyenne après une à trois séries. Une fois le brassard relâché après la quatrième série, une diminution de R2' a été observée, indiquant une hyperémie post-exercice. En revanche, le protocole FF-50 a induit une augmentation de l'oxygénation du sang (p=0,02) pendant l'exercice, le R2' étant réduit de 10,4 % par rapport à la ligne de base en moyenne après chaque série, alors qu'aucun changement du R2' n'a été observé pendant le protocole FF-20WM. Après l'arrêt de l'exercice (et la libération du brassard dans le cas du BFR-20), les valeurs R2' ont été réduites après tous les protocoles d'exercice (p<0,001).

Les trois protocoles d'exercice ont conduit à une augmentation du flux sanguin artériel et veineux dans le quadriceps en exercice (P<0,001). Pendant l'exercice BFR-20, le débit sanguin artériel entre les séries a été réduit de 52 % et le débit veineux de 68 % par rapport au débit moyen pendant les protocoles de libre circulation. Cependant, pendant chaque série consécutive d'exercices BFR-20, les flux artériel et veineux ont légèrement augmenté à un taux moyen de 23 ± 9 et 35 ± 13 ml/min par série, respectivement, jusqu'à la libération du brassard (p=0,03). Lors de la libération du brassard immédiatement après la quatrième série d'exercices, le débit sanguin veineux a augmenté de 2,5 fois, passant de 111 ±114 ml/min après la troisième série à 278 ± 139 ml/min deux minutes après la quatrième série et la libération du brassard (p<0,001). De même, le débit sanguin artériel a été multiplié par 1,8, passant de 123 ± 73 ml/min à 220 ± 108 ml/min (p<0,001). Après quatre minutes de repos, les flux sanguins artériel et veineux étaient revenus à leurs niveaux de base.

Tous les protocoles d'exercices ont donné lieu à une augmentation aiguë de la CSA du muscle quadriceps déjà après une série d'exercices (p<0,001). La CSA n'a pas changé de manière significative au cours des séries suivantes (2-4) des protocoles d'exercices FF-20WM et FF-50. La CSA a cependant continué à augmenter de 1,3 ± 0,5 % de la CSA de base par série pour l'exercice BFR-20 après les séries deux et trois. L'augmentation relative de la CSA avec l'exercice BFR-20 est passée de 7 ± 7 % après la troisième série à 12 ± 8 % après la quatrième série avec libération du brassard (p<0,001). L'augmentation de la CSA après la quatrième série était de 7 ± 5 % et de 8 ± 5% pour les FF-50 et FF-20WM, respectivement, qui étaient inférieurs au BFR-20 (p<0,05). 

Dans cette étude, les changements aigus du flux sanguin, de la diffusion et des temps de relaxation des R2 et R2' dans les muscles squelettiques humains en réponse à la restriction du flux sanguin (BFR) et par rapport à l'exercice classique en flux libre (FF) ont été analysés. Les différents protocoles d'exercices de BFR et FF ont provoqué des changements très différents dans divers paramètres d'IRM, démontrant que la réponse physiologique à un exercice aigu d'extension du genou dépend à la fois de l'ampleur de la charge appliquée et de la présence/absence d'ischémie périphérique transitoire (BFR vs FF). Des changements marqués ont été observés pour la plupart des variables physiologiques examinées après la première série d'exercices, alors que seuls des changements mineurs ou aucun changement n'ont été observés au cours des trois séries suivantes, ce qui indique qu'un nouvel état d'équilibre est rapidement établi pendant l'exercice. À titre d'exception, la CSA et R2 ont continué à changer de la première à la quatrième série pendant le BFR-20 protocole. 

L'exercice BFR a provoqué des changements relatifs plus importants dans R2 et CSA, indiquant un degré plus élevé de gonflement cellulaire, ainsi que des élévations plus marquées dans R2', indiquant un degré plus élevé d'hypoxie périphérique, que l'exercice en flux libre, qu'il soit adapté au travail effectué (FF-20WM) ou qu'il utilise des charges d'exercice plus lourdes (FF-50). Plus précisément, l'augmentation relative des CSA du quadriceps avec l'exercice de BFR a presque doublé du troisième au quatrième set, après le relâchement du brassard. Le R2 a diminué progressivement au cours du protocole d'exercice BFR-20, y compris lors du relâchement du brassard, contrairement à l'état stable observé lors des séries d'exercices en flux libre. Le flux sanguin musculaire et l'oxygénation du sang ont été les paramètres qui ont démontré la réponse différentielle la plus claire entre les trois protocoles d'exercice. Comme prévu, le débit sanguin et l'oxygénation des tissus ont été nettement réduits par le BFR pendant le gonflage du brassard et rapidement augmentés lors de la libération du brassard. En revanche, les valeurs de R2' étaient les plus basses et le débit sanguin (à la fois veineux et artériel) était le plus élevé lors de l'exercice FF-50, ce qui indique une oxygénation des tissus plus élevée que la base de référence. 

D’autre part, les changements aigus dans la diffusion (MD), étaient similaires dans les protocoles BFR-20, FF-20WM et FF-50. Il est remarquable que l'exercice BFR ait provoqué une forte diminution du mouvement de l'eau musculaire, MD, dans les muscles non exercés de la même jambe et dans les muscles de la jambe opposée. La diffusion radiale vers l'orientation de la fibre a diminué relativement plus que la diffusion le long de la fibre, ce qui a entraîné une diffusion plus unidirectionnelle, quantifiée par des valeurs accrues de AF. Cela a coïncidé avec une diminution de la CSA dans le quadriceps controlatéral, ce qui signifie une réduction de la surface axiale. Bien que plusieurs paramètres soient de nature vasculaire, les changements observés dans les valeurs mesurées semblaient se produire de manière tout à fait indépendante les uns des autres. Ainsi, seules quelques associations sont apparues lorsque les changements liés à l'exercice dans divers paramètres ont été comparés. Tout d'abord, les flux sanguins artériel et veineux étaient fortement corrélés, comme on pouvait s'y attendre. Deuxièmement, l'augmentation observée de la masse musculaire était liée à la diminution concomitante de R2, ce qui suggère fortement qu'une diffusion accrue est associée à un gonflement myo cellulaire. 

Bien que la réponse physiologique aiguë à un exercice à faible charge, à une charge élevée et au BFR ne soit pas entièrement élucidée, les rapports d'études physiologiques précédents 

correspondent bien aux présentes conclusions. Lorsque les quadriceps sont activés sous des charges élevées et faibles, il a été rapporté qu'ils retrouvent rapidement leur niveau d'oxygénation au repos entre les séries successives d'exercices de libre circulation, contrairement aux exercices de FBR où l'oxygénation du sang est restée faible pendant tout le protocole d'exercice. 

On ne sait pas encore très bien comment les réponses musculaires à long terme (c'est-à-dire des semaines ou des mois) de l'entraînement BFR, à la résistance à une faible charge ou à une charge lourde diffèrent mécaniquement les unes des autres. Il a été démontré que l'exercice de résistance aux charges lourdes augmente la force musculaire, la masse musculaire, la capacité de force rapide (taux de développement de la force, RFD) et la puissance musculaire chez les individus jeunes et âgés. De même, le BFR induit une croissance musculaire similaire, une amélioration de la force et un développement rapide de la force malgré un entraînement plus court en durée et l'allégement de la charge de travail. Cela contredit l'argument selon lequel une tension musculaire mécanique élevée est le principal stimulus de l'hypertrophie et indique que les facteurs associés au stress métabolique et/ou à l'ischémie tissulaire transitoire peuvent être tout aussi importants pour augmenter la masse musculaire. Il a été démontré que le BFR amplifie l'accumulation de métabolites, ce qui contribue à augmenter le gradient de pression osmotique entre les compartiments extracellulaires et intracellulaires qui augmentent le flux d'eau dans la cellule. On a déjà signalé une augmentation du gonflement des cellules et de l'élévation du lactate sanguin due à une restriction du flux sanguin lors d'exercices physiques. L'expansion cellulaire affecterait les capteurs de volume intrinsèque de la cellule stimulant les cascades de signalisation anabolique, ce qui pourrait expliquer, du moins en partie, l'hypertrophie marquée qui se produit après de courtes périodes d'entraînement à la résistance du BFR. Les gains aigus plus importants de CSA musculaire et les valeurs R2 plus faibles observés pendant et immédiatement après l'exercice BFR-20 par rapport à l'exercice en flux libre (FF-20VM, FF-50) indiquent en outre un degré plus élevé de gonflement et d'acidification des cellules avec l'exercice BFR. De même, cette étude rapporte des signes de fatigue métabolique plus importante sous la forme de conditions hypoxiques plus étendues, comme indiqué par des valeurs R2' plus élevées, pendant l'exercice BFR que les protocoles de libre circulation. 

Il a déjà été démontré que les exercices de force conventionnels à faible charge, similaires au protocole FF-20WM (c'est-à-dire des séries non effectuées jusqu'à l'échec de la contraction), augmentent la masse et la force musculaires, bien que dans une mesure bien moindre que les exercices de force à forte charge. C'est d'abord lorsque l'exercice de force à faible charge est effectué jusqu'à l'échec volontaire que des augmentations de la masse et de la force musculaires, comparables à celles induites par l'exercice de force à forte charge, ont été démontrées. L'exercice de libre circulation à faible charge (FF-20WM) et à charge plus élevée (FF-50) n'a pas démontré de changements différentiels de R2 ou de CSA musculaire. Cependant, le débit sanguin était plus élevé et l'oxygénation plus faible pendant l'exercice de libre circulation effectué jusqu'à la rupture (FF-50) que non jusqu'à la rupture (FF-20WM), c'est-à-dire dans ce dernier cas sans fatigue. Enfin, il a été rapporté par May and coll. dans une étude de 2018 intitulée « Lower body blood flow restriction training may induce remote muscle strength adaptations in an active unrestricted arm. » que l'exercice de BFR induit des effets positifs de l'exercice dans d'autres tissus musculaires du corps que le membre entraîné. Dans la présente étude, nous avons observé une réponse restrictive à l'exercice de BFR dans les muscles non exercés, y compris tous les muscles de la cuisse du membre controlatéral au repos ainsi que les muscles ischio-jambiers antagonistes de la jambe BFR-20 : dans tous les muscles non exercés, le taux de diffusion radiale a été réduit d'environ 25 %. On ignore donc encore quel rôle cet effet de diffusion radiale réduit peut-il jouer pour l'adaptation des muscles à distance de ceux entrainés sous BFR. 

Les changements du débit sanguin dans les quadriceps mesurés dans la présente étude se situent dans la fourchette des observations précédentes où des augmentations du débit sanguin de 500 à 1000% induites par l'exercice ont été signalées et où les valeurs post- exercice sont revenues à 20-100% au-dessus de la valeur de référence dans un délai de 3 minutes. Les valeurs de débit macro vasculaire de l'exercice en flux libre dans cette étude sont cohérentes avec les mesures précédentes de débit de pointe de 250 ml 100g-1 min-1 pendant l'exercice d'extension du genou, bien que la méthode de la présente étude ne soit pas spécifique au volume des tissus. Des augmentations aiguës comparables (8 à 10 %) de la CSA (ou des mesures de l'épaisseur musculaire) ont été signalées précédemment et ont également été signalées comme étant plus prononcées avec le BFR qu'avec l'exercice sans BFR. Il est intéressant de noter que lorsque les séances d'exercice étaient répétées sur plusieurs semaines, les différences observées entre les augmentations transitoires aiguës de l'épaisseur musculaire entre les conditions d'exercice sans BFR et celles sous BFR diminuaient (Farup and coll. en 2015 dans « Blood flow restricted and traditional resistance training performed to fatigue produce equal muscle hypertrophy”). Les valeurs actuelles d'AF et de DM obtenues dans les muscles exercés se sont avérées revenir aux niveaux de base dans les 20 minutes suivant l'arrêt de l'exercice, les valeurs de DM continuant même à descendre en dessous des niveaux de base selon le protocole BFR. En outre, l'anisotropie fractionnelle (FA) ne s'est pas avérée significativement différente des valeurs de base, ce qui indique que le mouvement de l'eau intramusculaire a augmenté de manière isotrope le long et radialement par rapport à la direction des fibres. 

Considérations méthodologiques / limites 

Les protocoles des exercices FF-50 et FF-20WM ont été effectués dans la même jambe, séparés par 12-15 minutes de repos. Par conséquent, les changements aigus observés à la suite de l'exercice FF-50 peuvent avoir inclus des effets résiduels du précédent protocole FF-20WM. En outre, une botte lestée et une amplitude limitée du mouvement de l'articulation du genou ont été utilisées dans la présente étude, ce qui peut modifier le schéma spécifique de recrutement musculaire et de début de fatigue par rapport à l'exercice standardisé d'extension du genou effectué dans un appareil d'exercice, ce qui peut réduire les implications pratiques des présentes observations.

Plusieurs processus initiés par l'exercice peuvent affecter les paramètres mesurés et peuvent donc être difficiles à démêler. Par exemple, de petites variations du R2 3 jours après l'exercice de FF et de BFR ont été signalées (ΔR2 ≈ -2 s-1), que les auteurs ont attribuées à l'inflammation et aux dommages micro focaux des myofibres.

Il a été signalé que les valeurs de l'AF et de la MD sont également affectées par d'autres effets à court terme, tels que les changements de température et les effets à long terme tels que l'inflammation post-exercice et les lésions musculaires jusqu'à plusieurs jours après l'exercice, bien que ces changements signalés soient beaucoup moins importants que la réponse aiguë observée dans cette étude.

Plusieurs considérations techniques peuvent également être mentionnées pour les données IRM obtenues. Dans la présente analyse, on a supposé que les R2, R2' et MD étaient des processus mono exponentiels. On a conclu que R2 au repos et après l'exercice est bien décrite par une seule fonction de décroissance exponentielle, ce qui suggère que le liquide extravasculaire du muscle normal est en échange relativement rapide avec le plus grand compartiment de liquide intracellulaire, ce qui entraîne des taux de relaxation similaires. On a toutefois constaté que les modèles multi- exponentiels pour déterminer R2 permettent une détermination nettement meilleure, notamment en identifiant une fraction de l'eau musculaire (8-15 %) à relaxation rapide (R2 > 0,2 ms-1) qui représenterait l'eau dans un environnement lié aux macromolécules.

L'IRM de diffusion est mieux utilisée en identifiant également la pseudo-perfusion, la fraction d'eau libre et la fraction d'eau à déplacement lent dans les tissus.