Fatigue neuromusculaire induite par répétition de sprints : Etiologie et impact de l’hypoxie

by Arthur Peyrard

Doctoral thesis in Doctorat Biologie de la Motricité

Under the supervision of Laurent Messonnier, Grégoire Millet and Thomas Rupp.

Thesis committee President: Fabrice Favret.

Thesis committee members: Tadej Debevec, Olivier Girard, Tadej Debevec.

Examiners: Fabrice Favret, Marc Jubeau.

  • Alternative Title

    Repeated sprint exercise and neuromuscular fatigue : Etiology and impact of hypoxia


  • Abstract

    The ability to repeat short maximal sprints is considered as a good performance index in a variety of intermittent sports (e.g. team or racket sports). This work focused on the neuromuscular fatigue induced by repeated sprint exercise and the impact of hypoxia on its development. In normoxic condition, it is rather established that fatigue mainly originates from the muscle itself (i.e. peripheral) during the early stage of the task whereas central fatigue (i.e. the incapacity of the central nervous system to fully activate the muscles) arise during the latter stage of exercise. When performed under hypoxic condition, central fatigue is exacerbated due to two potential mechanisms. The first one implies a direct brain hypoxic effect that would reduce the brain activity and therefore the motor drive to the exercising muscles. The second one would be through a decrease in oxygen delivery to the muscle, decreasing the energy furnished by the aerobic pathway, increasing the reliance on anaerobic metabolism and leading to the production of more metabolites. Those are known to increase the firing rate of muscle afferents inhibiting the central drive. One of the objectives of this thesis was to isolate those mechanisms thanks to the use of localized muscle hypoxia obtain through blood flow restriction and to determine if exercising in that condition would increase the development of central fatigue. The present results suggest that systemic and localized hypoxia impaired similarly sprint performance but with distinct mechanisms. Systemic hypoxia exacerbates the development of central fatigue through a direct brain hypoxic effect whereas blood flow restriction increased peripheral fatigue due to the accumulation of metabolites. However, the methodology used for this study and classically in the literature involves a delay between the end of the repeated sprint exercise and the fatigue measurement. This is problematic as fatigue is known to recover quickly and at different rates depending on its origin, thus leading to a probable underestimation and misinterpretation of fatigue etiology. Furthermore, it prevents the possibility of having kinetics of fatigue development allowing to determine more precisely the apparition and the evolution of central and peripheral fatigue. Therefore, following the first study, the aim was to propose a new methodological approach to allow several measures of fatigue during the exercise without any delay. This work presents the development and the validation of a new ergometer making possible to assess neuromuscular function during repeated sprint cycling exercise.


  • Abstract

    La capacité à répéter des efforts de courte durée et d’intensité maximale est considérées comme un indicateur de la performance dans de nombreux sports intermittents (sports collectifs, sports d’opposition). Ce travail de thèse s’est focalisé sur l’étude de la fatigue neuromusculaire induite par une répétition de sprints et de l’impact que peut avoir l’hypoxie sur le développement de celle-ci. Il est établi qu’en condition normale l’origine de cette fatigue est d’avantage musculaire (périphérique) dès les premiers sprints alors qu’une fatigue dites centrale, correspondant à une incapacité du système nerveux centrale à recruter le muscle de manière optimale, apparait lors des derniers sprints. La réalisation de ce type d’effort en hypoxie a pour effet d’exacerber l’apparition de la fatigue, notamment centrale, de deux manières potentielles. Soit via une diminution de la quantité d’oxygène fournit au cerveau, ce qui aurait un effet direct diminuant l’activité cérébrale et donc la commande motrice nécessaire à l’exercice. Soit via la réduction de l’arrivée de l’oxygène au niveau musculaire, qui engendrerait une diminution de la part d’énergie produite par le métabolisme aérobie, qui serait redirigé vers le métabolisme anaérobie, connu pour produire davantage de déchets métaboliques. Ces derniers sont liés à des voies afférentes qui inhibe de manière indirect la commande motrice. L’un des objectifs était de pouvoir isoler ces deux mécanismes grâce à la mise en place d’une hypoxie musculaire localisée afin de voir si cela suffirait à induire une augmentation de la fatigue centrale. Les résultats présentés suggèrent que les deux types d’hypoxies diminuent la performance en sprint de manière similaire mais via des mécanismes distincts. L’hypoxie générale impact d’avantage le développement de la fatigue centrale via un effet direct sur le cerveau alors que l’hypoxie localisée augmente surtout la fatigue périphérique via l’accumulation de métabolites. Cependant la méthode utilisée dans cette étude et classiquement dans la littérature induit un délai entre la fin du sprint et la mesure de fatigue, ce qui peut induire une sous-estimation et une mauvaise interprétation de l’étiologie de celle-ci et ne permet pas d’établir une cinétique précise du développement de la fatigue. C’est pourquoi suite à cette première étude, l’objectif était de développer une méthode permettant des mesures régulières et sans délai de la fatigue neuromusculaire. Ce travail présente le développement et la validation d’un nouvel ergomètre permettant des mesures de la fonction neuromusculaire intégrées pendant un exercice de sprint répétés sur vélo.


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