CHAP5 PHYSIO2 MOYEN La ventilation pulmonaire

• Le document porte sur le système respiratoire et son rôle dans la physiologie de l'exercice.
• Il aborde l'anatomie du système respiratoire, la mécanique de la ventilation pulmonaire et la régulation de la ventilation et du pH.

Anatomie du système respiratoire

• Les structures respiratoires sont regroupées en deux zones: la zone de conduction et la zone respiratoire.
• La zone de conduction achemine l'air vers la zone respiratoire, constituée du nez, du pharynx, de la trachée, des bronches et des bronchioles.
• Le pharynx relie la cavité nasale et la bouche au larynx et à l'œsophage.
• Le larynx relie le pharynx et la trachée, orientant les aliments vers l'œsophage et l'air vers les bronches, et abrite les cordes vocales.
• La trachée conduit l'air du larynx aux bronches.
• La trachée se divise en deux bronches principales, qui se divisent en bronches secondaires, puis tertiaires, et enfin en bronchioles (diamètre inférieur à 1mm).
• Le dernier niveau de subdivision est appelé le niveau des bronchioles terminales (diamètre inférieur à 0.5mm).
• Les bronches et la trachée sont protégées de l'affaissement par des anneaux de cartilage.
• Les anneaux de cartilage disparaissent au niveau des bronchioles, recouvertes de cellules musculaires lisses qui modulent leur diamètre (bronchodilation et bronchoconstriction).
• L'adrénaline et la noradrénaline induisent la dilatation des bronchioles via le relâchement des cellules musculaires lisses, diminuant la résistance à l'écoulement de l'air.
• La zone de conduction purifie, humidifie et réchauffe l'air.
• La purification de l'air s'effectue par les poils du nez et le mucus, qui emprisonnent les particules et détruisent les bactéries.
• Le réchauffement de l'air se fait au niveau du plexus vasculaire des fosses nasales, atteignant 37°C.
• La zone respiratoire comprend les bronchioles terminales, les sacs alvéolaires et les alvéoles pulmonaires, lieu des échanges gazeux.
• Il y a environ 150 à 400 millions d'alvéoles, offrant une surface d'échange de 70 à 80 m².
• Les alvéoles pulmonaires sont recouvertes de capillaires, formant la membrane alvéolo-capillaire, où le O2 et le CO2 sont échangés.
• Les poumons, au nombre de deux, occupent la plus grande partie de la cage thoracique et sont recouverts de la plèvre, composée de deux feuillets séparés par la cavité pleurale contenant le liquide pleural.
• Le liquide pleural lubrifie et réduit la friction lors des mouvements respiratoires.
• La partie non occupée par les alvéoles est composée de tissu conjonctif élastique, le stroma.
• Les poumons sont irrigués par la circulation pulmonaire, recevant le sang désoxygéné par les artères pulmonaires.
• Les artères pulmonaires se ramifient en artérioles puis en capillaires, irriguant les alvéoles où se produisent les échanges gazeux.
• Le sang oxygéné retourne au cœur par les veines pulmonaires.

Mécanique de la ventilation pulmonaire

• La ventilation pulmonaire renouvelle l'air dans les alvéoles par deux phases: l'inspiration et l'expiration.
• La phase inspiratoire correspond à l'entrée de l'air, et la phase expiratoire à la sortie.
• Ces mouvements sont régis par des principes physiques liés à l'écoulement des gaz.
• Une variation du volume d'un contenant déformable implique une variation de la pression du gaz, et vice-versa.
• Les gaz s'écoulent des zones de haute pression vers les zones de basse pression jusqu'à l'équilibre.
• L'inspiration est initiée par la contraction des muscles inspirateurs, principalement le diaphragme et les muscles intercostaux externes.
• Les muscles intercostaux externes rapprochent les côtes pour soulever la cage thoracique.
• Le diaphragme, en forme de dôme, sépare la cavité thoracique de la cavité abdominale.
• Il descend et s'aplatit lors de la contraction, augmentant le volume de la cage thoracique.
• L'augmentation du volume réduit la pression alvéolaire, créant un gradient de pression qui attire l'air.
• Au repos, 500ml d'air (volume courant) entrent lors d'une inspiration non forcée.
• L'expiration est passive au repos, due au relâchement des muscles inspiratoires et au retour du diaphragme à sa forme de dôme, diminuant le volume de la cage thoracique.
• La diminution du volume augmente la pression intra-alvéolaire, expulsant l'air.
• Le coût énergétique de la respiration augmente pendant l'exercice, représentant 10 à 20% de la dépense énergétique totale.
• Cette augmentation est due à une activité accrue du diaphragme et des muscles intercostaux, ainsi qu'à la mobilisation de muscles accessoires comme les scalènes et le sterno-cléido-mastoïdien.
• L'expiration devient active pendant l'exercice (sauf à faible intensité), mobilisant les muscles intercostaux internes et les muscles abdominaux.

Régulation de la ventilation et du pH

• La ventilation pulmonaire est évaluée par la ventilation minute, qui est la quantité totale de gaz inspiré ou expiré en une minute (l/min).
• La ventilation minute est déterminée par le volume courant (environ 500ml au repos) et la fréquence respiratoire (environ 12 respirations/minute au repos).
• Au repos, la ventilation minute est d'environ 6 l/min.
• La ventilation, le rythme respiratoire et le volume courant sont contrôlés par les centres respiratoires situés dans le bulbe rachidien, via le nerf phrénique et l'activité du diaphragme.
• Les centres respiratoires sont sensibles à différents facteurs qui modifient le rythme et l'amplitude de la respiration.
• Les principaux facteurs sont les niveaux d'AppCO2, d'AppO2 et de ApH artériels.
• Une perturbation de ces paramètres homéostasiques déclenche une adaptation réflexe de la ventilation.
• Une augmentation du pH, une augmentation de la ppO2, ou une diminution de la ppCO2 diminuent la ventilation.
• Une diminution du pH, une diminution de la ppO2, ou augmentation de la ppCO2 augment la ventilation.
• Les variations de ppO2 sont perçues par les chémorécepteurs périphériques (artère aorte et artères carotides) et en plus par les chémorécepteurs centraux (bulbe rachidien) pour le pH et le ppC02.
• Ces informations sont transmises aux centres respiratoires via les voies nerveuses afférentes, modulant ainsi la contraction du diaphragme.
• Le pH reflète l'acidité d'une solution, déterminée par concentration d'ions hydrogènes H+.
• Un pH bas indique une forte concentration de H+ (acidité), tandis qu'un pH élevé indique une faible concentration (alcalinité).
• Les valeurs de pH physiologique varient entre 7 et 7,4.
• Un pH artériel inférieur à 7,35 indique une acidose, tandis qu'un pH supérieur à 7,45 indique une alcalose, entraînant une adaptation réflexe de la ventilation.
• L'exercice peut diminuer le pH, surtout lors d'efforts maximaux ou sous-maximaux à épuisement, en raison de la production d'acide lactique par le métabolisme anaérobie. Hyperventilation permet de diminuer le pH.
• L'hyperventilation accroît l'évacuation du CO2, diminuant la ppCO2 artérielle. Pour rétablir la ppCO2, les ions H+ et HCO3- s'associent pour former de l'acide carbonique puis du CO2 et de l'eau, diminuant les ions H+ et relevant le pH.
• Une hypoventilation est déclenchée en cas d'hypoxie, avec une diminution réflexe de la ventilation.
• La ppCO2 augmente dans les artères. Pour rétablir la ppCO2, le CO2 est associé à de l'eau pour former de l'acide carbonique puis des ions H + et des ions HCO3-.