1_Plasticité musculaire

Plasticité musculaire et performance
1
04/11/2015B. STEENSTRUP / IRMSHN

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

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

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

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.

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.

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

Innervation des fibres musculaires
 Toutes les fibres musculaires d'une unité motrice
donnée sont du même type.
8
Fibres type 1
Fibres type 2

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

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

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

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

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

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.

 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

 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

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

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.

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

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.

3 : Innervation motrice et matrice extracellulaire
21

 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

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

24
Exemple de l’activité physique :
Impact cognitif
Physical activity and neuroplasticity - Erickson et al
Dialogues in Clinical Neuroscience - Vol 15 . No. 1 . 2013

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

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

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

28
Hématome ?
Ostéome ?
Buxboim A, Discher DE. Stem cells feel the difference. Nature methods. 2010;7(9):695-697

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

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

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