Les signatures cérébrales des coureurs d'endurance.

Jan 12 / Kinesport
La course d'endurance (RE), probablement l'un des sports les plus populaires au monde, est définie comme la course de longue distance sur une période prolongée (Hulteen et al. 2017). Physiologiquement, elle dépend largement de la production d'énergie aérobie et requiert de l'endurance ainsi que de la force mentale. Plus précisément, les performances en RE dépendent de l'interaction entre une absorption maximale d'oxygène élevée (VO2max), la durabilité de VO2max et l'économie de course (Lucia et al. 2008). Le processus de vieillissement pourrait avoir un effet sur la performance d’ER par son effet sur le VO2max, la masse musculaire active, le volume sanguin, etc. (Reaburn et Dascombe 2008 ; Tanalias et Seals 2008). En effet, il a été démontré que la performance d’ER atteint son maximum vers 30 ans, et que la performance à environ 60 ans correspond à environ 90 % du niveau maximum (Lara et al. 2014 ; Nikolaidis et al. 2019). En outre, une bonne performance en ER nécessite et repose sur de multiples processus cognitifs et de contrôle moteur (tels que la planification, la mémoire de travail, la commutation attentionnelle et la flexibilité cognitive). Les mécanismes neuronaux qui sous-tendent les bonnes performances en ER restent cependant mal compris.
Suite au développement des techniques de neuroimagerie, plusieurs tentatives ont été faites dans le domaine pour explorer les différences structurelles et fonctionnelles du cerveau entre les coureurs d'endurance et les témoins sains (HC). Par exemple, en comparant un groupe de jeunes athlètes d'endurance (2 nageurs, 6 triathlètes, 4 marathoniens et un coureur cycliste) avec des athlètes d'endurance, une étude de morphométrie basée sur les voxels (VBM) a montré un volume de matière grise (GMV) plus élevé dans le gyrus frontal supérieur gauche et le gyrus parahippocampique gauche dans le groupe d'athlètes d'endurance (Schlaffke et al. 2014). Plus récemment, une étude d'IRM fonctionnelle au repos (IRMf) a fait état d'une connectivité fonctionnelle (FC) accrue du réseau frontopariétal avec les régions cérébrales du cortex frontal chez les jeunes athlètes ER par rapport aux HC (Raichlen et al. 2016). En utilisant l'imagerie de diffusion (DTI), une étude des régions d'intérêt (ROI) centrée sur les ganglions de la base a révélé une fraction d’anisotropie (FA) plus faible et un taux de diffusion moyen légèrement plus élevé dans le segment interne du globus pallidus chez les jeunes coureurs d'endurance par rapport aux HC (Chang et al. 2015).
À la connaissance des auteurs, aucune étude multimodale combinant ou fusionnant trois modalités d'IRM du cerveau n'a été réalisée pour explorer les différences structurelles et fonctionnelles du cerveau entre les coureurs d'endurance et les HC. L'exploitation des informations croisées entre les types de données lors d'analyses multimodales peut fournir de nombreuses informations sur les différences structurelles et fonctionnelles entre les deux groupes.

MÉTHODE

Objectif :
Réaliser une étude IRM multimodale complète afin d'étudier les différences structurelles et fonctionnelles du cerveau entre 22 coureurs d'endurance et 20 HC correspondants.

Hypothèse :
 Les deux groupes présenteraient des différences structurelles et fonctionnelles cérébrales significatives dans l'hippocampe et certaines régions motrices, y compris le gyrus précentral.

Matériels et méthodes
  • n = 42

22 Jeunes coureurs d'endurance (hommes ; 26,27 ± 6,07 ans)
20 sujets contrôle ne participant pas actuellement à un exercice volontaire et qui n'ont pas participé à un exercice régulier au cours des 2 dernières années.
  • Tous les participants étaient droitiers


Acquisition de l'IRM
  • IRMf pondérée en fonction T1
  • Imagerie de diffusion
  • IRMf en état de repos


Synthèse des analyses :
  • Morphométriques
  • VBM cérébrale complète
  • Épaisseur et aire de surface corticales (GM : matière grise / WM : matière blanche)
  • Forme et volume sous-corticales
  • En choisissant les régions du cerveau identifiées dans les analyses de morphométrie du cerveau comme étant des ROIs, une seed-based analysis (technique d’analyse permettant d’analyser la connectivité d’une région très focale à une autre région du cerveau) de la connectivité fonctionnelle a été effectuée entre les deux groupes pour examiner les corrélats fonctionnels des différences morphologiques liées aux ROIs.
  • Des comparaisons par voxels de la fraction d’anisotropie ont été effectuées entre les deux groupes pour identifier les différences microstructurales de la substance blanche liées à la course en endurance. 

RÉSULTATS

Analyses VBM du cerveau entier

  • Les auteurs ne rapportent qu'un seul cluster significatif où les coureurs d'endurance avaient un GMV plus grand que les HC. Ce cluster impliquait principalement le gyrus précentral gauche (taille du cluster = 1016 voxels; coordonnées MNI du pic: x = -43,5, y = - 18, z = 49,5; valeur t de pointe = 5,413)

Analyses SBM

  • Aucune différence d'épaisseur corticale significative n'a été trouvée entre les deux groupes. Par rapport aux HC, les coureurs d'endurance ont montré une surface corticale significativement plus grande dans le gyrus précentral gauche (taille du cluster = 2319 vertices ; coordonnées du pic Talairach: x = - 51,7, y = 6,3, z = 24,2; valeur du pic t = 4,16 , RFT corrigé, p = 0,00067).
Analyses de formes volumétriques sous-corticales et basées sur les vertex

  • Les analyses volumétriques sous-corticales ont révélé un plus grand volume de matière grise dans l'hippocampe gauche (taille du cluster= 632 voxels; coordonnées du pic MNI: x = -33, y = - 31,5, z = - 10,5; valeur t de pointe = 3,13) chez les coureurs d'endurance par rapport aux HC.
  • Les analyses de forme sous-corticale basées sur les vertex ont révélé une importante inflation régionale dans la partie latérale antérieure de l'hippocampe droit chez les coureurs d'endurance par rapport aux HC.
Analyses seed-based de la connectivité fonctionnelle (FC)

  • Par rapport aux HC, les coureurs d'endurance ont montré une FC significativement plus élevée de la seed dans le gyrus précentral gauche avec le gyrus postcentral et précentral droits (taille du cluster = 63 voxels; coordonnées MNI de pointe: x = 42, y = - 15, z = 33; valeur de t crête = 4,70).
  • Les coureurs d'endurance ont également montré une FC significativement plus élevée de la seed dans l'hippocampe gauche avec la zone motrice supplémentaire gauche (SMA) et le cortex cingulaire moyen (MCC) (taille du cluster = 145 voxels; coordonnées du pic MNI: x = - 3, y = 12, z = 27; valeur de t maximale = 3,82), ainsi qu’une FC significativement plus élevée de la seed dans l'hippocampe droit avec le lobe postérieur gauche du cervelet (taille du cluster = 164 voxels ; coordonnées MNI du pic: x = - 15, y = - 57, z = - 33; valeur du pic t = 3,7878).

Analyses de DTI

Par rapport aux HC, les auteurs ont trouvé 3 clusters où les coureurs d'endurance avaient une FA significativement plus élevée. Ces clusters impliquaient :
  • Le lobe postérieur gauche du cervelet
  • Le précuneus bilatéral
  • Le genou du corps calleux (CC)
  • Le bras antérieur gauche de la capsule interne (IC)
  • La corona radiata antérieure gauche (CR)
  • La capsule externe gauche (EC)

DISCUSSION

Dans cette étude, une analyse multimodale basée sur l'IRM a été menée pour étudier les différences structurelles et fonctionnelles cérébrales liées à l’ER entre les coureurs d'endurance et les HC. Les principales conclusions sont résumées comme suit :

  1. Par rapport aux HC, les coureurs d'endurance ont montré un plus grand volume de matière grise et une plus grande surface corticale dans le gyrus précentral gauche.
  2. Les analyses volumétriques et de forme sous-corticales ont révélé un plus grand volume de matière grise dans l'hippocampe gauche et une inflation régionale dans l'hippocampe droit chez les coureurs d'endurance par rapport aux HC.
  3. Les régions cérébrales identifiées lors de la morphométrie cérébrale étaient associées à une connectivité fonctionnelle plus élevée chez les coureurs d'endurance que chez les HC.
  4. Par rapport aux HC, les coureurs d'endurance ont montré une FA significativement plus élevée dans la matière blanche de plusieurs régions du cerveau, y compris le cervelet, le précuneus et le corps calleux, entre autres.

Cette étude a trouvé un ensemble de différences structurelles et fonctionnelles cérébrales entre les coureurs d'endurance et les HC qui pourraient être les bases neurales sous-jacentes aux bonnes performances ER des coureurs d'endurance.

Plus précisément :

  • Compte tenu de l'implication critique du gyrus précentral dans le contrôle moteur, ces résultats d'un GMV et d'une surface corticale plus élevés dans le gyrus précentral peuvent suggérer un meilleur contrôle moteur chez les coureurs d'endurance par rapport aux HC.
  • La FC plus élevée entre la région précentrale gauche et les gyrus post-central et précentral droits peut indiquer que les coureurs d'endurance sont associés à une meilleure intégration sensori-motrice et à une meilleure coordination entre les membres.
  • Le GMV plus élevé et l'inflation régionale observés dans l'hippocampe pourraient être les corrélats neuronaux sous-jacents aux bonnes performances ER des coureurs d'endurance, et ces caractéristiques peuvent être apparues en réponse à des années d'entraînement aux ER.
  • Compte tenu des rôles fonctionnels de l'hippocampe, une FC supérieure de l'hippocampe avec la SMA gauche, le MCC et le cervelet peut suggérer que les coureurs d'endurance sont plus efficaces pour extraire des informations pertinentes de l'hippocampe et à les transférer aux régions cérébrales motrices lors du choix d'un mouvement optimal ou d'une intensité d'exercice.
  • Les connectivités plus importantes pourraient être les corrélats neuronaux facilitant un transfert d'informations plus efficace chez les coureurs d'endurance.

Limites :
• Étant donné la nature transversale de l’étude, on ne peut pas dire si les résultats sont dus à une prédisposition innée ou résultent d'un entrainement à long terme d’ER.
• Le manque de tests cognitifs détaillés évaluant la mémoire, l'attention et les fonctions exécutives des coureurs d'endurance affaiblit l'interprétabilité des résultats liés à l'hippocampe.
• Le manque d'évaluation des facteurs de confusion tels que l'activité physique, le niveau de forme cardio-respiratoire et / ou le régime alimentaire qui peuvent influencer ces résultats doit être reconnu.

CONCLUSION

En utilisant des données d'IRM multimodales, cette étude a révélé des différences significatives dans la morphologie de la matière grise, la connectivité fonctionnelle et la microstructure de la matière blanche entre les coureurs d'endurance et des individus contrôles. Ces résultats fournissent plusieurs éléments de preuve pour les différences structurelles et fonctionnelles du cerveau entre les coureurs d'endurance et les individus contrôles.
Les données suggèrent que ces caractéristiques cérébrales peuvent être le résultat d'un entraînement régulier à la course en endurance; cependant, la question de savoir si elles représentent les corrélats neuronaux sous-jacents aux bonnes performances ER des coureurs d'endurance nécessite des recherches supplémentaires bien conçues.

BIBLIOGRAPHIE

Structural and functional brain signatures of endurance runners.
Cao L, Zhang Y, Huang R, Li L, Xia F, Zou L, et al. Structural and functional brain signatures of endurance runners. Brain Struct Funct [Internet]. 2020;(0123456789). Available from: https://doi.org/10.1007/s00429-020-02170-y

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