Respiration

La RESPIRATION

Bases physiologiques

 

- Sylvain VIAL -

 

 

Préambule

 

Ce texte présente une description simplifiée de la respiration humaine. Cette fonction vitale est une des plus perceptibles de notre conscience et sur laquelle nous avons heureusement un certain contrôle. Ecrit en termes simples, cette lecture ne nécessite pas deculture scientifique particulière. Les spécialistes me pardonneront les approximations rendues nécessaires par la vulgarisation du sujet.

 

 

Contexte général

 

Comme toute machine, pour fonctionner notre corps à besoin d'énergie. Celle-ci provient de nos aliments et de l'oxygène que nous respirons dans l'air. Cet air respiré est composé de 21% d'oxygène (O²), 79% d'azote (N), 0,03% de gaz carbonique ainsi que d'autres gaz rares (valeurs arrondies). Il est amené dans notre organisme grâce aux poumons. C'est un lieu d'échange entre le sang et l'air contenu dans les alvéoles pulmonaires. Plus loin dans notre corps, nos cellules captent ce qui leur est nécessaire pour vivre (acides aminés, protéines, molécules diverses, ions, O²) et évacuent leur déchets principalement dans ce même sang. C'est pour cela que le sang des artères (en direction des organes) est différent de celui des veines (en direction du cœur). Ainsi s'exprime la respiration au sens large du terme. Dans l'étude qui suit, nous nous intéresserons surtout à la partie pulmonaire, c'est-à-dire la ventilation. Dans le langage courant ainsi que dans la suite du texte, respiration et ventilation seront synonymes pour simplifier les choses. Cet acte de ventilation permanent est géré à la fois par réflexe (nous respirons sans y penser) et peut être modifié par un acte volontaire (apnée, hyperventilation, par exemple). De plus, la manière de respirer peut aussi dépendre de notre volonté: costale, ventrale, ample, courte, superficielle et même plus encore, avec un brin d'imagination, au travers notre corps pour les exercices de relaxation.

Chaque discipline, physique, sportive, artistique est forcément confrontée à une modification de cette respiration. Nous passons d'un état de repos à un état d'éveil. La nature ne nous a pas doté que de réflexes parfaits. Ils sont dans leur globalité suffisants à une survie précaire. Nous pouvons considérer l'être humain, mammifère que nous sommes, comme une fantastique machinerie qui nous a permis de survire depuis des millénaires. N'oublions pas qu'il est le fruit d'une évolution, de mutations, et non celui d'un super bureau d'étude. Nous possédons un ensemble de réflexes permettant cette survie. Mais nous possédons aussi des fonctions antagonistes ou inhibitrices. Celles-ci accroissent notre potentiel d'actions lié à notre intelligence. Par exemple, en phase d'essoufflement, un non spécialiste cherchera à inspirer de plus en plus, alors que la solution est dans l'expiration profonde. Ceci est le fruit d'un travail de conscience. La ventilation peut alors être considérée comme une compétence parmi d'autres dans un modèle de performance. Voici quelques exemples représentatifs. Certains sports de combat avec techniques au sol voient leurs pratiquants supporter une charge importante sur la cage thoracique. La respiration devient alors difficile. Il faut résister à cette charge douloureuse par une tension de la ceinture scapulaire (le haut du tronc). De même, l'impossibilité du soulèvement des côtes oblige à une respiration ventrale. Les plongeurs en scaphandre autonome connaissent bien les dangers d'une ventilation superficielle qui mène à un essoufflement aux conséquences parfois dramatiques. Soulever une charge lourde se fait, par réflexe, en apnée. Les conséquences liées à une augmentation de la pression artérielle peuvent être évitées par une expiration bien placée lors de l'effort. En natation, l'expiration sera forcée et plutôt nasale, l'inspiration forcément buccale. Autant d'exemple que de disciplines pourrait-on dire. C'est pourquoi, avant tout,  je m'efforce d'appréhender ce point avec mes élèves quelque soit l'activité enseignée.

 

 

Petite et grande circulation

 

Nous pourrions qualifier nos poumons d'interface d'échanges de gaz entre un milieu aqueux et gazeux, c'est-à-dire entre l'air et le sang. Pour comprendre ce qui se passe juste en amont de ce cycle d'échange, imaginons un observateur microscopique qui voyagerait accroché à un globule rouge. Au départ du cœur, il est expulsé avec force dans une grosse artère à destination d'un recoin de notre organisme. Au gré des embranchements successifs, le hasard le conduit au travers de tuyaux de plus en plus fins. Il fini par arriver dans les vaisseaux les plus étroits où d'étrange phénomènes se produisent. Des choses s'échappent du sang et s'infiltrent dans les cellules. Des choses également provenant des cellules rejoignent le sang. Le voyage continu. Les tuyaux deviennent plus larges et plus mous. La vitesse est moindre qu'à l'aller. Puis les accélérations deviennent plus importantes et finalement, il se retrouve brutalement dans le cœur. Ce premier voyage s'appelle la grande circulation. Il en ressort comme la première fois. Mais cette foi-ci, la ramification des tuyaux se fait beaucoup plus rapidement. Normal, il se trouve maintenant dans la petite circulation qui relie le cœur aux poumons. Arrivé de nouveau dans une canalisation microscopique il constate cette fois-ci de nouveaux phénomènes bizarres. Encore une fois, la composition du sang change. Des gaz en sortent et d'autres rentrent. Le sang est maintenant plus riche en oxygène et plus pauvre en CO2. Continuant son parcours, les tuyaux deviennent rapidement plus gros. Il se retrouve soudainement aspiré par le cœur dans un bruit assourdissant. Aussitôt entré, aussitôt sorti. Il reconnait les lieux de son premier passage et sait qu'il va bientôt se retrouver quelque part dans un autre recoin de l'organisme. Deux réseaux sont donc connectés au cœur. La grande circulation qui amène le sang à nos cellules et la petite circulation qui amène le sang aux poumons.

 

 

Le circuit ventilatoire

 

Un peu d'anatomie permet de mieux appréhender les exercices respiratoires. Elle sensibilise également aux risques pathologiques de la sphère pulmonaire. Les poumons sont donc deux: un à droite  avec trois parties (lobes) et un à gauche, plus petit, avec deux lobes. Il faut bien faire un peu de place au cœur vers le milieu de la poitrine. Mais avant d'arriver là, reprenons notre observateur microscopique qui cette fois ci s'accrochera à une molécule d'oxygène de l'atmosphère. Un humain passe a proximité, notre observateur est aspiré. Quelques grosses poussières sont arrêtées par les poils du nez, mais lui passe sans problème. Il se retrouve dans les fosses nasales et constate que malgré un passage rapide, l'air se réchauffe et s'humidifie très rapidement. Sur les muqueuses visqueuses constituant les parois de cet endroit caverneux, viennent se coller poussières et bactéries. Prises au piège, elles seront expulsées plus tard par des cils vibratiles qui protègent ainsi la gorge. Sous le plafond de cet espace appelé sinus, il aperçoit un tapis de cellules originales. En bon scientifique, il reconnait les cellules olfactives capables de donner l'alerte en cas d'odeur suspecte. Quelques centièmes de seconde plus tard, il passe dans le pharynx. Lieu de rencontre entre le chemin de la bouche et celui du nez. Il se souvient du récit d'un autre explorateur qui, lui, était entré par la bouche. Il n'avait pas constaté tous ces mécanismes de protection trouvés dans les fosses nasales. Mais il faut dire que l'humain était en plein effort et que le débit d'air offert par le nez était insuffisant. Tout de suite après le pharynx, il arrive dans le merveilleux larynx. C'est un véritable chef d'orchestre composé d'éléments de cartilage et de petits muscles. Sa fonction est complexe. Voici ses tâches. Il ouvre, ferme et régule le passage de l'air grâce à la glotte. Ceci lui permet aussi d'émettre des sons avec les cordes vocales. Avec l'épiglotte à son entrée, il redirige les aliments vers l'œsophage  sinon ceux-ci tomberaient dans les poumons. Enfin, il protège le reste du circuit respiratoire des grosses particules par le réflexe de la toux. Après cette zone de turbulence, notre observateur débouche dans un gros tuyau annelé: la trachée artère. Après environ 12 cm de tranquillité, celle-ci se sépare en deux. Notre observateur sait qu'à ce moment il va pénétrer dans les poumons. Après environ une vingtaine de bifurcations mouvementées dans des tuyaux de plus en plus petits, il arrive à destination. Cela ressemble à un sac allongé avec de grosses boursouflures. Imaginons la surface extérieure d'une grappe de raisins. Les raisins pourraient représenter ainsi les fameuses alvéoles où s'effectuent les échanges de gaz entre le sang et cette cavité. Pour faire un peu de sensationnel, citons au passage qu'il y a environ 300 millions d'alvéoles ce qui représente une surface d'échange gazeux de 70 à 120 m² (Rohen 1975). C'est donc là que des gaz vont passer dans le sang, et vice versa, en quelques dixièmes de seconde.

 

 

Echanges gazeux

 

Par quel miracle des particules peuvent-elles voyager d'un liquide à un gaz en passant les parois des cellules ainsi que leurs cœurs "gélatineux". Sans rentrer dans des détails de physique, imaginons un verre d'eau posé sur une table. La surface de l'eau est en contact avec l'air. Tout n'est pas aussi stable que cela nous semble. A l'échelle des molécules, nous pourrions constater une certaine agitation de toutes ces particules. Normal, il fait chaud. Environ 293 degré Kelvin dans ma cuisine (20° degré Celsius). Alors, des molécules d'eau (H²O) s'envolent au milieu de celle d'azote et d'oxygène qui composent en partie l'air. C'est la vapeur d'eau, invisible mais bien présente dans l'atmosphère. Idem pour les molécules de gaz qui s'en vont batifoler avec leur copines "eau". Finalement, un équilibre se créé et nous retrouvons dans l'eau les gaz de l'air dans les mêmes proportions. Heureusement pour les poissons qui respirent eux aussi de l'oxygène pour vivre ! Cet état d'équilibre s'appelle la saturation (loi d'Henry). Il n'est pas instantané. Il suit même une fonction logarithmique, c'est-à-dire rapide au début puis de plus en plus lentement quand le gradient diminue. Gradient ? Voilà le maître mot. C'est tout simplement la différence de concentration d'un même gaz entre les deux milieux d'échange. Plus le gradient est important, plus le transfert du gaz concerné est important aussi. Lorsque le gradient est nul, la saturation est atteinte. Dans les alvéoles  des poumons, cela fonctionne ainsi. Il faut seulement que tout ce gaz traverse, en plus, une paroi de cellules et une substance protectrice qui tapisse les alvéoles. Tout ca ne mesure qu'un micromètre (10-6 m). Dans ce vaste domaine scientifique, quelques points me semblent importants à retenir.

 

- En respirant plus que nécessaire (hyperventilation), il n'y aura pas plus d'oxygène dans le sang car, au repos, l'hémoglobine est déjà saturée (13,3 kPa de pression partielle d'O² alvéolaire). Comme c'est l'hémoglobine qui transporte essentiellement l'oxygène, lui en proposer plus ne sert à rien hormis dans les traitements hyperbares. Dans ce cas, l'O² excédentaire voyage sous forme dissoute dans le plasma. Mais le rendement est faible. Par contre, cette action d'hyperventilation va contribuer à une baisse inappropriée du CO² sanguin et générer des troubles physiologiques. Faites l'expérience en respirant, et surtout en expirant pronfondément durant une minute tout en étant au repos. Attention au vertige ! Heureusement, notre organisme adapte automatiquement la fréquence et le volume  respiratoire par rapport à l'effort fourni. Mais la qualité de cette ventilation reste sujet à  dysfonctionnements liés au stress, contraintes externes ou type d'effort par exemple.

 

- Lors d'une apnée, le sang circulant au contact des alvéoles pulmonaires n'aura pas été modifié. En effet, les gaz alvéolaires sont en équilibre avec ceux du sang depuis la dernière respiration. Ce sang repart donc pour un tour complet dans l'organisme, restant inefficace pour l'approvisionnement des cellules en O² et leur décharge en CO². En activité aérobie, ceci est préjudiciable à la performance. Pour les efforts très courts, ca l'est moins. En plongée subaquatique, l'apnée est très dangereuse en phase de décompression (lors de la remontée) pour d'autres raisons.

 

- L'air alvéolaire est différent de l'air extérieur. Il est le résultat du mélange entre l'air modifié incomplètement expiré des poumons et le "bon" air inspiré. Les pressions partielles (pourcentages) des gaz s'en trouvent donc modifiées à notre désavantage. D'où l'importance d'une expiration profonde !

 

 

La mécanique respiratoire

 

Pour que l'air rentre puis ressorte de nos poumons, il faut lui donner une raison de le faire. Cette raison c'est la différence de pression. Au même titre que le vent claque une porte ou que nos pneus se dégonflent, les particules de gaz pressées les unes contre les autres cherchent toujours à rejoindre l'endroit où elles seront le moins comprimées. Ainsi est faite la nature ! Pour comprendre la mécanique des poumons, prenons l'image d'un accordéon. Pour qu'il émette des sons, il faut créer un courant d'air dans de petits orifices calibrés. Pour cela, le musicien attache ses mains à l'extérieur de l'appareil en les passant sous une sangle. Lorsqu'il écarte les mains, le soufflet de l'appareil s'étend augmentant ainsi son volume intérieur. L'air s'y trouvant déjà voit son espace augmenter et se trouve moins comprimé. Par contre, l'air de l'extérieur s'apercevant qu'il y a plus de place à l'intérieur y pénètre rapidement. Un premier courant d'air est ainsi réalisé. Quand suffisamment d'air est entré, les pressions intérieures et extérieures deviennent identiques. Donc il n'y a plus de mouvement d'air. Le musicien effectue alors l'opération inverse. Au lieu de tirer il va refermer ses bras ce qui va comprimer l'air dans le soufflet. Les particules présentes à l'intérieur vont rejoindre l'extérieur où la pression est, à cet instant, moins importante. Les poumons fonctionnent sur le même modèle. Les mains de l'accordéoniste sont ici remplacées par les côtes de chaque coté et le muscle diaphragme en dessous. Grâce à de nombreux petits muscles, les côtes peuvent pivoter. Notons que ce mouvement s'effectue à la fois sur le plan sagittal et transversal. Les poumons sont "collés" à celles-ci par l'intermédiaire de plusieurs couches externes, dont la plèvre. En bougeant, les côtes augmentent le volume des poumons comme les mains de l'accordéoniste qui s'écartent. Le diaphragme, grand muscle plat situé sous la cage thoracique se baisse provoquant également un étirement des poumons. Comme dans l'accordéon, l'air rentre pour les même raisons. La constitution des poumons les rend élastiques. De ce fait, l'expiration peut se réaliser de deux manières. Soit par simple relâchement musculaire. L'élasticité intrinsèque des poumons fait qu'ils vont revenir à leur volume initial tirant vers l'intérieur les côtes et le diaphragme. Ou bien par action volontaire des muscles intercostaux ainsi que des abdominaux.

 

 

Les différents volumes

 

Sans que cela soit un acte volontaire, notre système de régulation adapte la respiration au contexte d'effort. Cette chose est possible grâce à différents capteurs disséminés dans notre corps et capables d'analyses mécaniques ou chimiques. Par exemple, l'augmentation du taux de dioxyde de carbone (CO²), la diminution d'oxygène (O²) ainsi que l'acidité (PH) dans le sang sont étroitement surveillés par ces gendarmes. Bien que cette régulation soit automatisée par un système nerveux végétatif, des ordres peuvent aussi venir du cortex, c'est-à-dire de notre volonté. Nous pouvons bloquer ou augmenter volontairement la ventilation. Mais ces deux circuits vont vite entrer en conflit. Tentez une longue apnée. Au bout d'un moment vous respirerez malgré vous, même dans l'eau !

Les chiffres qui vont suivre sont des valeurs moyennes, donc évidemment variables d'un individu à l'autre et également variables d'une littérature à l'autre. Il est plus intéressant d'analyser leurs rapports plutôt que leurs valeurs. Donc, lors d'une respiration au repos, nous n'utilisons pas tous le volume de nos poumons. C'est 0,5 litre (L) que nous inspirons et expirons à une cadence d'environ 6 L par minute (L/min). Cette valeur peut monter vers 200 L/min lors d'un effort intense. Nous sommes donc actuellement au repos, calé dans un fauteuil devant la télé sans émotion particulière. Nous respirons sans y penser nos 0,5 L. Imaginons qu'à la fin de notre expiration normale nous décidions de vider complètement nos poumons en resserrant notre cage thoracique ainsi qu'en rentrant notre ventre. Il sortirait alors 1,5 L de plus. C'est le volume de réserve expiratoire. Malgré cela, nos poumons ne seront pas complètement vide. Il reste un volume résiduel qui occupe 1,2 L car nos alvéoles ne se collapsent pas à 100 %. Reprenons notre respiration normale et faisons l'inverse. A la fin d'une inspiration des 0,5 L, continuons d'inspirer jusqu'au maximum possible. 2 L supplémentaire entre dans nos poumons. C'est le volume de réserve inspiratoire. La somme de ces trois valeurs constitue la capacité vitale. Nous avons vu que seuls les gaz présents dans les alvéoles pulmonaires participent aux échanges gazeux. L'air situé dans l'espace mort anatomique, c'est à dire le nez, la bouche, la gorge, la trachée artère et toute la ramification des bronches n'y participe pas. A chaque fin d'expiration cet espace est occupé par l'air sorti des poumons. Cet air provenant des alvéolaires est appauvri en O² et enrichi en CO² puisqu'il vient de participer aux échanges gazeux. A l'inspiration, il sera introduit en premier puisque présent dans les voies respiratoires. L'air frais viendra se mélanger à lui en second lieu durant cette inspiration. Donc, à chaque inspiration nous ré-inspirons une partie de notre air vicié. Au repos, cet air inutile représente environ 30% des 0,5 L, ce qui est beaucoup mais notre organisme s'en accommode. Notons que les poumons d'une femme, à âge et taille identique d'un homme, sont environ 10% plus petits. Avec l'âge, ce volume diminue mais, rassurons nous et évitons le fatalisme, il augment un peu suivant l'état d'entraînement (Hollman, 1972).

Durant l'effort, la ventilation se rapproche de la capacité vitale par augmentation de l'amplitude et l'espace mort peut descendre jusqu'à 5 % (Markworth, 1983). Cette augmentation d'amplitude, bien qu'elle soit instinctive, peut se faire sur deux axes dissociés ou simultanés: le volume inspiratoire (respiration haute) et le volume expiratoire (respiration basse). Nos reflexes de survie, surtout en situation de stress, mettent en œuvre des mécanismes d'absorption d'air en urgence. C'est le volume d'air inspiratoire (respiration haute) qui est mis en action. Erreur ! Une respiration "haute" et haletante conduit à un mécanisme d'essoufflement bien connu des plongeurs mais aussi pour les activités terrestres. Il se passe les choses suivantes. Le volume expiratoire n'étant que peu utilisé, le stock restant d'air alvéolaire vient augmenter le volume mort anatomique. La cadence ventilatoire augmente pour palier au déficit d'amplitude pulmonaire. Elle accroit ainsi l'effort général lié aux principaux muscles permettant de ventiler au sens large (intercostaux, diaphragme, abdominaux et cœur). L'état de stress vient également augmenter la consommation d'O². Il convient donc d'insister avant tout sur l'expiration.

Voici quelques exemples pour montrer que chaque activité peut revendiquer sa respiration. En combat de boxe, les assauts sont rythmés par des séries d'expirations brèves et puissantes. Une ventilation ample et cyclique étant psychologiquement très difficile, on cherche à vider les poumons même d'une manière anarchique au rythme des actions. En natation, la phase expiratoire aquatique sera bien plus longue et difficile que la phase inspiratoire. De plus, l'idéal d'une inspiration nasale et expiration buccale est inversé par nécessité. En sports collectifs, les actions de jeux intenses et les moments de récupération s'alternent. La respiration subit ces alternances qui vont de la brève apnée sur un effort intense au rythme élevé de la ventilation sur une course. Enfin, dernier exemple, les tirs sur cible nécessitent un savant mélange entre tension musculaire, blocage respiratoire et gestion des battements de cœur.

 

 

Ventilation et action motrice

 

Il n'y a pas de règles absolues. Parfois, pour un même geste technique plusieurs attitudes respiratoires peuvent être envisagées. Cela dépend de différents facteurs.

 

- L'individu lui-même et son fonctionnement intrinsèque.

- L'objectif de performance par la relation entre prise de risque et sécurité. Cela peut se traduire, par exemple, par un choix volontaire de blocage respiratoire sur un effort intense à l'image des haltérophiles.

- Encombrement des voies aériennes: Appareil respiratoire, protège dents, communication verbale, prise d'aliments ou de boissons durant l'effort.

- L'environnement aérien: Chaud, froid, présence de poussière ou d'insectes, taux d'humidité, pression atmosphérique.

 

Avant de continuer, voyons comment fonctionnent nos réflexes sur un effort bref et intense. Prenons un individu et donnons-lui le défi de soulever l'arrière de sa petite voiture. Il va saisir le pare choc, se mettre en position de demi squat, prendre une respiration, bloquer cette respiration et tenter de soulever cette charge. C'est en effet ainsi qu'il atteindra sa force maximale (Findeisen, Linke et Pickenhain, 1980). Mais la réalisation d'une apnée durant un effort entraîne certains désagréments. Le cœur qui, ne l'oublions pas, est enfermé dans la cage thoracique avec les poumons, subit cette pression intra-pulmonaire qui se traduit également par une pression intrathoracique. Son débit ainsi que son irrigation sanguine s'en trouvent fortement diminués (Rost, 1974). De plus, cette baisse de débit va affecter plus particulièrement le cerveau qui risque de ne pas apprécier du tout. Il y est très sensible. Cela peut se caractériser par un étourdissement, voir une perte de conscience. De plus, durant l'apnée, le sang n'est plus oxygéné. Ceci n'arrange rien à l'affaire. Si la recherche de performance n'est pas l'objectif essentiel, il ne faut pas bloquer la ventilation, mais adapter son rythme. Il convient donc, en règle générale, d'expirer sur les mouvements de force. Si ceux-ci sont effectués en isométrie (sans mouvement), une respiration basse et haletante s'avérera temporairement efficace. Les échanges gazeux continueront tant bien que mal à se faire et, de plus,  cette série de souffles rapides maintiendra une tension psychologiquement favorable à l'effort.

 

 

Respiration imaginaire

 

La respiration devient parfois le pilier central de certains exercices comme dans le yoga par exemple. Toute discipline sportive peut placer dans une séance un moment de relaxation ou, à l'inverse, d'extériorisation intense d'énergie. En associant imagination, posture et ventilation, nous pouvons créer des sortes de flux imaginaires dans notre corps. Notre fonctionnement intrinsèque est sensible à nos perceptions tant proprioceptives qu'affectives. Ainsi, ces exercices ont des effets bien réels: relaxation, plaisir, effet antalgique. Mais attention au discours. Il faut rester conscient et comprendre ce que l'on fait. Utiliser la méthode Coué peut s'avérer efficace comme peut l'être un placebo en médecine. Demander de respirer avec le ventre, ses pieds ou d'autres parties de son corps permet une focalisation psychologique sur ces segments corporels. C'est un exercice de dissociation sensitif intéressant. De même, libérer ses tensions par des cris dans des postures bizarres demande une difficile abstraction de personnalité. Elle doit être accompagnée avec compétence. Comme en pédagogie générale, l'important est de comprendre ce que l'on fait. Agir simplement par copiage ou croyance, même si un résultat est obtenu, conduit à des dérives. Ces dérives peuvent amener par exemple un renoncement à la médecine, des comportements sociaux inappropriés et pour les enseignants une perte de crédibilité.

 

 

Conclusion

 

Cette approche simplifiée purement physiologique de la respiration permettra, je l'espère, au non spécialiste d'accomplir les bons actes au bon moment. S'il est une chose à retenir, c'est qu'il est préférable de se concentrer sur l'expiration plutôt que sur l'inspiration. Ceci pour parvenir à une meilleure efficacité d'échanges gazeux, valable quelque soit sa discipline. La respiration est l'élément le plus facilement modifiable parmi ceux qui contribuent à la performance. Son lien étroit avec la relaxation, la gestion du stress et l'état émotionnel sont évidemment important. Mais ceci est une autre histoire, beaucoup plus moderne.


Sylvain VIAL - Juin 2010 - NÎMES
Modifier en novembre 2014
Merci de citer l'auteur pour toute reproduction.