Construction et Validation d'un Modèle Force ‐ Vitesse ‐ Endurance des Capacités Musculaires

Force Velocity Endurance of muscular capacities - Integrative model of neuromuscular fatigue

• Auteur / Autrice : Maximilien Bowen
• Direction : Baptiste Morel-prieur, Pierre Samozino
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biologie de la Motricité
• Date : Inscription en doctorat le 03/10/2022
• Etablissement(s) : Chambéry
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Ingénierie Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interuniversitaire de Biologie de la Motricité

Mots clés

Mots clés libres

Force-Vitesse

Fatigue Neuromusculaire

Modélisation Multi-échelles

Force-Velocity

Neuromuscular Fatigue

Multi-Scale Modelisation

Résumé

Les capacités contractiles musculaires sont essentielles aux mouvements et aux locomotions humaines et animales. En raison de leurs structures moléculaires, les cellules du muscle strié squelettique produisent une force qui est fonction de leur vitesse de raccourcissement. Lorsque les capacités de production de force du système neuromusculaire sont explorées sur un mouvement pluri-articulaire: cette relation peut être formulée mathématiquement par une fonction linéaire F(V). Par ailleurs l'intensité de cette force diminue en fonction de la durée, mais converge vers une intensité critique caractéristique. Lors d'un effort maintenu à intensité maximale: cette relation peut être décrite par une fonction exponentielle décroissante F(t). Ces deux relations fondamentales définissent les facteurs représentatifs des capacités de production de force, et donc de la performance motrice chez un grand nombre d'espèces. Cependant, bien que les relations force-vitesse (FV) et intensité-temps (IT) caractérisent respectivement un continuum de capacités de production de force en fonction de la vitesse et du temps, l'interaction entre les deux n'a été étudiée qu'au moyen de comparaisons ponctuelles et indépendante. Ainsi, au lieu d'étudier séparément ces relations qui interagissent, les considérer comme deux projections d'une seule et même relation force-vitesse-temps (FVT) unique, permettrait de décrire dans son intégralité les capacités de production de force et leurs interactions. L'objectif du projet vise à unifier, par un modèle intégratif, les deux propriétés musculaires connues de FV et IT afin de proposer une nouvelle relation Force-Vitesse-Endurance (FVE). La compréhension fondamentale de ces phénomènes repose sur une recherche interdisciplinaire multi échelle mêlant modélisation mathématique et expérimentation humaine et animale. L'hypothèse sur laquelle se base ce projet est qu'il existe une relation FVE représentative des capacités d'un muscle/individu de produire une force en fonction de la vitesse de contraction/mouvement et de la durée/ intensité de l'exercice. Ce projet s'articule ainsi autour de deux objectifs interdépendants : la création d'un modèle mathématique de formalisation de la relation FVE et la validation expérimentale multi-échelle du modèle. La validation de l'existence d'une relation FVE universelle et de ces fondements théoriques permettrait d'ouvrir un nouveau cadre conceptuel permettant d'améliorer la compréhension du fonctionnement musculaire et de décrire la locomotion animale d'un point de vu intégratif. Bien que ce projet soit fondamental, les applications pratiques issues de ce nouveau cadre pourraient être nombreuses : Prédiction et optimisation de la performance, Modèle d'analyse fonctionnelle d'une thérapie génique en myologie, Prédiction de la fatigue et de l'altération de la fonction neuromusculaire chez le patient.

Muscle contractile capacities are essential for human and animal movement and locomotion. Due to their molecular structures, skeletal striated muscle cells produce force as a function of their shortening rate. When the force producing capabilities of the neuromuscular system are explored in a multi-joint movement: this relationship can be formulated mathematically by a linear function F(V). Moreover, the intensity of this force decreases as a function of duration, but converges towards a characteristic critical intensity. During an effort maintained at maximum intensity: this relationship can be described by a decreasing exponential function F(t). The force-velocity (FV) and intensity-time (IT) relationships respectively characterise a continuum of force production capabilities as a function of velocity and time. These two fundamental relationships define the factors that represent force production capabilities, and thus motor performance, in a wide range of species. The objective of the project is to unify, through an integrative model, the two known muscular properties of FV and IT in order to propose a new Force-Velocity-Endurance (FVE) relationship. The fundamental understanding of these phenomena is based on multi-scale interdisciplinary research involving mathematical modelling and human/animal experimentation. This project is based on the following hypothesis: the existance of an FVE relationship which is representative of a muscle/individual's ability to produce force as a function of contraction/movement speed and exercise duration/intensity. This project is thus articulated around two interdependent objectives: the creation of a mathematical model to formalise the FVE relationship and the multi-scale experimental validation of the model. The validation of the existence of a universal FVE relationship and of its theoretical foundations would open up a new conceptual framework for improving the understanding of muscle function and for describing animal locomotion. Although this project is fundamental, the practical applications of this new framework could be numerous: prediction and optimisation of performance, functional analysis model of gene therapy in myology disease, prediction of fatigue and alteration of neuromuscular function in patients.