Repousser les limites : défis individuels et exposition à la chaleur pour la détermination du seuil et la récupération aiguë après un exercice d'intensité sévère

Abstract

Exercise is a crucial aspect of maintaining overall health and well-being. Participating in recreational or professional sports involves a range of metabolic demands, and a proper understanding of physiological processes taking place at different intensities is vital for optimizing training and performance. Generally, exercise intensity can be distributed into three domains, i.e., moderate, heavy and severe. To set realistic goals, prescribe training and monitor (long term) performance, the determination of the heavy-severe intensity boundary is a key feature. This threshold marks the boundary between sustainable and non-sustainable exercise, hence, it can be seen as the highest work rate at which a metabolic equilibrium is possible, i.e., maximal metabolic steady state (MMSS). Critical power (CP), as part of a mathematical framework with underlying physiological mechanisms is frequently put forward as the ‘gold standard’ methodology to determine the MMSS. This CP is the asymptote to the hyperbolic relationship between power output and time to exhaustion. Together with W', the curvature constant (or work capacity that can be spent above CP), it forms the CP concept. Yet, there are also threshold concepts that serve as an indirect estimation of the MMSS, i.e. second lactate threshold and the respiratory compensation point determined from STEP or RAMP protocols using capillary blood samples or pulmonary gas exchange, respectively. The popularity of these exercise tests is based on the time efficient and feasible manner to determine exercise thresholds.In the first part of this PhD thesis, the effect of acute heat exposure on the determination of the heavy-severe intensity boundary was investigated. As climate change is affecting global temperature, heat exposure is becoming an increasing challenge for individuals participating in physical activity, recreational or competitive sports events. Furthermore, heat stress is also used during the training process (i.e., heat acclimation/acclimatization) to achieve beneficial training effects and physiological/hematological adaptations to optimize performance in hot as well as temperate environments. The physiological response to exercise in the heat is complex, as the development and extent of these adjustments are dependent on many factors such as the severity of the heat stress, prior whole body heating, individual characteristics, the intensity distribution of the exercise and the duration of the exposure. The developed heat strain results in alterations in the cardiovascular system, central nervous system and skeletal muscle function. We showed that the interaction between exercise intensity and exercise duration within exercise test protocols defines the magnitude of decrement in power output corresponding to the threshold. No sex differences were found in the effect of acute heat exposure on performance and the determination of the heavy-severe exercise intensity boundary, at least for the CP test methodology. The large interindividual variation in response to heat exposure in study 1 and study 2 supports the fact that even a short incremental exercise test with acute heat exposure can give valuable insight into the acute heat response of an athlete. This could provide additional support for performance diagnostics, optimizing prescription and steering of the training process, and monitoring exercise intensity in hot environments.Since physical activity and many sports involve frequent changes in exercise intensity, the CP concept has also been applied to intermittent exercise, in which exercise above CP (W' depletion) is alternated with exercise below CP (W' reconstitution). Therefore, the second part of this PhD thesis, is focused on the parameter W' [...].L'exercice physique est un aspect crucial dans le maintien de la santé et du bien-être. La participation à des sports récréatifs ou professionnels implique différents niveau de demande métaboliques. Dans ce contexte, une bonne compréhension des processus physiologiques qui se déroulent aux différentes intensités d’exercice est vitale pour optimiser l'entraînement et la performance. En général, l'intensité de l'exercice peut être répartie en trois domaines : modérée, intense et sévère. Pour fixer des objectifs réalistes, prescrire un entraînement et surveiller les performances (à long terme), il est essentiel de déterminer la limite entre la domaine intense et sévère. Ce seuil marque la limite entre un exercice durable et un exercice non durable ; il peut donc être considéré comme le travail le plus élevé auquel un équilibre métabolique est possible, c'est-à-dire l'état d'équilibre métabolique maximal (EEMM). La puissance critique ou critical power (CP), qui s'inscrit dans un cadre mathématique avec des mécanismes physiologiques sous-jacents, est souvent présentée comme la méthodologie de référence pour déterminer l'état d'équilibre métabolique maximal. Cette CP est l'asymptote de la relation hyperbolique entre la puissance et le temps d'épuisement. Avec W', la constante de courbure (ou la capacité de travail qui peut être dépensée au-dessus de la CP), elle forme le concept de CP. Cependant, il existe également des concepts de seuil qui servent d’estimation indirecte d’EEMM, à savoir les seuils de lactate et le point de compensation respiratoire déterminés à partir des protocoles STEP ou RAMP en utilisant respectivement des échantillons de sang capillaire ou une mesure des échanges gazeux pulmonaires. La popularité de ces tests d'exercice est due au fait qu'ils permettent de déterminer les seuils d'exercice de manière rapide et pratique.Dans la première partie de cette thèse de doctorat, l'effet d'une exposition aiguë à la chaleur sur la détermination du seuil d'intensité intense-sévère a été étudiée. Le changement climatique affectant la température globale, l'exposition à la chaleur devient un défi de plus en plus important pour les personnes pratiquant une activité physique, un sport de loisir ou de compétition. Par ailleurs, le stress thermique est également utilisé pendant le processus d'entraînement (l'acclimation/acclimatation à la chaleur) pour obtenir des effets bénéfiques et des adaptations physiologiques/hématologiques afin d'optimiser les performances dans les environnements chauds ou tempérés. La réponse physiologique à l'exercice dans la chaleur est complexe, car l’évolution et l'étendue de ces ajustements dépendent de nombreux facteurs tels que la sévérité du stress thermique, le réchauffement préalable du corps, les caractéristiques individuelles, l'intensité de l'exercice et la durée de l'exposition. La contrainte thermique générée entraîne des altérations du système cardiovasculaire, du système nerveux central et de la fonction des muscles squelettiques. Nous avons montré que l'interaction entre l'intensité et la durée de l'exercice dans les protocoles de test d'exercice définit l'ampleur de la diminution de la puissance de pédalage correspondant au seuil. Aucune différence entre les sexes n'a été constatée en ce qui concerne l'effet de l'exposition aiguë à la chaleur sur la performance et la détermination du seuil lourd-sévère, du moins pour la méthodologie de test CP. L'importante variation interindividuelle de la réponse à l'exposition à la chaleur dans l'étude 1 et 2 confirme le fait que même un test d'exercice incrémental de courte durée avec exposition aiguë à la chaleur peut donner des indications précieuses sur la réponse aiguë à la chaleur d'un athlète. En retour, cela fournit des informations utiles pour optimiser la prescription de l'entraînement et le suivi de l'intensité de l'exercice [...]Lichaamsbeweging is een cruciaal aspect in het behouden van de algemene gezondheid en het welzijn. Deelname aan recreatieve of professionele sporten brengt een scala aan metabolische eisen met zich mee en een goed begrip van fysiologische processen die plaatsvinden bij verschillende intensiteiten is van vitaal belang voor het optimaliseren van training en prestaties. Over het algemeen kan trainingsintensiteit worden onderverdeeld in drie domeinen: matig, zwaar en zeer zwaar. Om realistische doelen te stellen, training voor te schrijven en prestaties (op lange termijn) te monitoren, is het bepalen van de grens tussen zware en zeer zware intensiteit een belangrijk aspect. Deze drempel markeert de grens tussen inspanning die kan worden volgehouden of moet worden stopgezet, en kan daarom worden gezien als de hoogste belasting waarbij een metabool evenwicht mogelijk is, oftewel maximale metabole steady state (MMSS). Critical power (CP), als onderdeel van een wiskundig concept met onderliggende fysiologische mechanismen, wordt vaak naar voren geschoven als de 'gouden standaard' methodologie om de MMSS te bepalen. CP is de asymptoot van de hyperbolische relatie tussen het geleverde vermogen en de tijd tot uitputting. Samen met W', de krommingsconstante (of de arbeid die kan worden geleverd boven de CP), vormt dit het CP-concept. Er zijn echter ook drempelconcepten die dienen als indirecte bepaling voor de MMSS, namelijk lactaatdrempels en het respiratoire compensatiepunt bepaald uit STEP- of RAMP-protocollen waarbij respectievelijk capillaire bloedstalen of pulmonale gasuitwisseling worden gebruikt. De populariteit van deze inspanningstesten is gebaseerd op de tijdsefficiënte en haalbare manier om inspanningsdrempels te bepalen.In het eerste deel van dit proefschrift werd het effect van acute blootstelling aan hitte op de bepaling van de zwaar-zeer zware intensiteitsgrens onderzocht. Omdat de klimaatverandering de globale temperatuur beïnvloedt, wordt blootstelling aan hitte een steeds grotere uitdaging voor individuen die aan lichaamsbeweging doen, of deelnemen aan recreatieve of competitieve sportwedstrijden. Bovendien wordt hittestress ook gebruikt tijdens het trainingsproces (warmteacclimatie/ acclimatisatie) om gunstige trainingseffecten en fysiologische/hematologische aanpassingen te bereiken om prestaties in zowel warme als gematigde omgevingen te optimaliseren. De fysiologische respons op inspanning in de hitte is complex, omdat de ontwikkeling en omvang van deze aanpassingen afhankelijk zijn van veel factoren, zoals de ernst van de hittestress, voorafgaande verwarming van het hele lichaam, individuele kenmerken, de intensiteitsdistributie van de inspanning en de duur van de blootstelling. De ontwikkelde hittebelasting resulteert in veranderingen in het cardiovasculaire systeem, het centrale zenuwstelsel en de skeletspierfunctie. We toonden aan dat de interactie tussen inspanningsintensiteit en inspanningsduur binnen inspanningstestprotocollen de grootte bepaalt van de afname in het vermogen dat overeenkomt met de inspanningsdrempel. Er werden geen geslachtsverschillen gevonden in het effect van acute blootstelling aan hitte op prestatie en de bepaling van de zwaar-zeer zware intensiteitsgrens, althans voor de CP-testmethodologie. De grote interindividuele variatie in respons op hitteblootstelling in studie 1 en studie 2 ondersteunt het feit dat zelfs een korte incrementele inspanningstest met acute hitteblootstelling waardevol inzicht kan geven in de acute hitte respons van een atleet. Dit zou extra ondersteuning kunnen bieden voor prestatiediagnostiek, het optimaliseren van het voorschrijven en sturen van het trainingsproces en het monitoren van de trainingsintensiteit in warme omgevingen [...