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L’analyse des seuils, représentation pragmatique d’un univers invisible ?


Des seuils lactiques au DFA alpha 1


Selon Véronique Billat les années 1970-80 sont celles de l’apparition du concept de seuil lactique et de la vulgarisation des tests à l’effort. Les seuils lactiques sont découverts en premier lieu par l’école allemande, et notamment grâce au physiologiste Mader.


Certainement inspiré des travaux de Keul et Kinderman en 1978, mais aussi de ses expérimentations sur le terrain, Mader identifie ce qu’il nomme les seuils aérobie et anaérobie, qui sont liés en fait à des vitesse d’état stable et maximum de la lactatémie (Mader et Heck, 1986).


Toute notre génération à été baignée par ces seuils, avec bien sûr des adaptations liées aux évolutions de ce concept, soit lactique, soit ventilatoire, mais toujours liée à la consommation maximale d’oxygène (V02 max) et de sa vitesse qui en découle sur le terrain (Vitesse maximale Aérobie ou VMA).


La littérature scientifique rapporte trois méthodes de détermination des seuils fixant les niveaux d’intensité d’efforts produits par les sujets, auxquels on peut se référer pour programmer les charges de travail :

  1. L’étude de Kindermann et al. (1979) définit des seuils « anaérobies » à partir de la courbe d'évolution de la lactatémie en fonction de la puissance développée. A partir du niveau des concentrations de lactates, il détermine ainsi un premier seuil pour des concentrations moyennes de 2 mmol.l-1 et un second seuil pour 4 mmol.l.-1 délimitant ainsi la zone de transition « aéro-anaérobie »,

  2. Les recherches de Conconi et al. (1982) quant à elles définissent le seuil « anaérobie » sur le terrain à partir de la relation « fréquence cardiaque-vitesse de course ». La courbe d'évolution de la fréquence cardiaque par rapport à la vitesse de course correspondante présente une première partie linéaire qui, par la suite, s'infléchit en fonction de I'augmentation de I'intensité de l'exercice. Le point d'inflexion dans cette relation définit la vitesse de déflexion, et correspond au premier seuil lactique,

  3. Les chercheurs Hollmann (1985) et Wasserman (1987) révolutionnent cette conception des seuils en en identifiant deux à I'aide de la mesure des paramètres ventilatoires. D'une part, un premier seuil (seuil ventilatoire ou SV1) qui se situe aux alentours de 50 à 60% de la puissance maximale aérobie (PMA) et qui correspond à la première augmentation brutale de la ventilation, d'autre part, et un second seuil ‘seuil ventilatoire 2 ou SV2) qui est le signe d’une décompensation de I'acidose métabolique (T.D.M.A. =Threshold of Decompensed Metabolic Acid) et qui se situe autour de 80 à 90% de la P.M.A. Ce repère correspond en fait à la deuxième augmentation importante de la ventilation. Une telle accélération de la ventilation est probablement déclenchée par une augmentation de la concentration sanguine en lactates et en ions hydrogène (H+). Le point d'inflexion ventilatoire est en relation et coïncide souvent avec le seuil que l’on appelait « anaérobie » lactique.


Comprendre les seuils

Nous avions évoqué dans un article précédent les notions de seuils ventilatoires. Au-delà de valeurs liées à la montée progressive de lactates, et d’une certaine difficulté à respirer, il est important d’en comprendre les fondements utiles pour s’entraîner.


Le seuil aérobie, ou SV 1 est un marqueur bien souvent relégué aux oubliettes au profit du second plus connu (le seuil anaérobie). Il est pourtant un facteur primordial pour pouvoir performer (à son plus haut niveau) et ainsi pouvoir récupérer rapidement, sans oublier le versant de la santé (oxygénation, respiration, capilarisation)


Cependant ce marqueur est très subtil à déceler puisqu'il se situe dans des intensités faibles. Le test des échanges gazeux reste le plus précis à condition que le protocole suivi soit le bon, ce qui n'est pas toujours le cas.


Ce 1er seuil peut être considéré comme étant la frontière qui va séparer les efforts de basse intensité des efforts de moyenne, voire de haute intensité.


Sans entrer dans des considérations trop scientifiques, ce seuil est très souvent associé à un taux de lactates autour de 2 mmol/L et au fameux « crossover point », c’est-à-dire l'intensité à laquelle l'énergie nécessaire à la contraction musculaire est fournie à 50% par les glucides et 50% par les lipides. (1)


Le seuil anaérobie ou SV 2, quant à lui, est le plus connu des deux seuils. Il correspond à l'intensité à partir de laquelle le taux de lactates n'est plus sous contrôle et va monter crescendo, la ventilation devenant plus difficile du fait d’une dette d’02 progressive.


Il a souvent été indiqué qu’un taux de lactates de 4mmol/L était un critère fiable de ce seuil, mais les expériences souvent réalisées en laboratoires avec des prélèvements effectués au lobe de l’oreille, nous interpellent car parfois éloigné de ce qui se passe réellement au sein de la cellule musculaire.


Un des facteurs essentiels limitant la durée de l’exercice à haute intensité au dessus de ce seuil serait l’accumulation de lactates et surtout de H+ dans les muscles et les liquides de l’organisme. (2)


En effet pourquoi la valeur de 4mmol/L serait-elle la plus fiable en sachant que la production de lactates peut plus ou moins être tolérée individuellement selon la génétique et l’entraînement, et que l’inflexion exponentielle de la montée de lactates peut s’infléchir avant ou après cette mesure.


Pour résumer, et concernant les seuils lactiques, il existerait un seuil aérobie (SL1 aux alentours de 2 mmol/l) et un seuil anaérobie (SL2 aux alentours de 4 mmol/l) au niveau des lactates accumulées dans le sang. Il serait alors préconisé de travailler entre ces 2 seuils pour progresser, et ainsi décaler la courbe des seuils vers la droite, et ce afin de faire reculer l’état de fatigue métabolique.


Mais cette notion de seuil lactique a été sujette à débats et à controverses et certains chercheurs et entraîneurs préfèrent désormais parler de seuils ventilatoires et respiratoires (méthodes de Beaver-VCO2/VO2 ou de Wasserman-VE/VCO2). Et il est vrai que c’est un indicateur plus facile à appliquer à l’entraînement avec la notion d’essoufflement.



Les seuils ventilatoires, côté pratique

La détermination de ces seuils ventilatoires se réalise par une épreuve maximale réalisée en laboratoire. L’indicateur est l’hyperventilation qui permet à l’organisme de s’adapter à l’intensité de l’effort en éliminant l’excès de gaz carbonique.


Cet indicateur est plus intéressante pour la relier aux ressentis d’effort (RPE) permettant des indicateurs d’essoufflement plus faciles à identifier la fatigue de l’organisme à l’effort.


On parle en fait de premier seuil ventilatoire (SV1) et de deuxième seuil ventilatoire (SV2) :

  • Le SV1 représente le « seuil d’adaptation ventilatoire », indicateur de la capacité d’endurance aérobie.

Chez une personne très peu entraînée, SV1 peut se trouver à une intensité correspondant à 50% du VO2max. Alors que chez un sportif entraîné, SV1 peut se trouver à 80% du VO2max.

Nous retiendrons que plus SV1 est tardif, plus la personne a de chances de réaliser une bonne performance. Chez un athlète entraîné, SV1 se situe donc au-delà de 80 % de la VMA. Il coïncide en fait à peu près avec le seuil aérobie.


En pratique cette forme d’entraînement correspond à de longues fractions d’effort à vitesse constante (entre 6 et 40 minutes, voir 1 heure pour des athlètes expérimentés).

S’entraîner à cette allure serait très bénéfique surtout pour les débutants et initiés car elle améliore l’endurance à l’effort. Mais elle induit pour tous les niveaux une amélioration de l’économie de course et de l’endurance qualitative, correspondant en fait à un premier seuil ventilatoire d’inconfort, celui qui sollicite l’organisme et qui est différent d’un confort que l’on recherche souvent lors du footing facile.

  • Le SV2 représente le « seuil d’inconfort ventilatoire », car lorsque vous continuez votre effort en allant de plus en plus vite, ce deuxième seuil apparaît comme une cassure de l’allure qui demande beaucoup plus d’énergie.

Cette rupture correspond en fait au seuil ventilatoire SV2 et résulte en partie, on l’a vu, à l’augmentation progressive élevée de lactates dans le sang, et au changement plus radical dans la filière glycolique (la production d’acide lactique étant le témoin de l’intervention de la glycolyse anaérobie dans la production énergétique de reconstitution de l’ATP).

L’hyperventilation devient alors anarchique (essoufflement très prononcé) car l’organisme ne parvient plus à à transformer en substrat le lactate accumulé. On parle alors de « seuil d’inadaptation ventilatoire ». En travaillant au-dessus de SV2, on travaille dans la filière dite « anaérobie ». Chez un athlète entraîné, SV2 se situe au-delà de 90 % de la VMA. Le but de l’entraînement est de repousser les limites d’apparition de SV2 et de rapprocher SV2 du VO2max.


En pratique il s’agit de courir à des intensités beaucoup plus élevée, en sachant que le temps de maintien sera réduit. On parle de fractions d’effort pouvant ainsi se courir entre 3 et 12 minutes, selon le niveau et la période.

L’intensité de course étant plus faible qu’en vitesse critique ou VMA, les distances plus longues de course sont tolérées avant l’épuisement. De plus l’acidose métabolique étant plus faible, (même si on est très proche de sa VO2max), le temps passé à ces allures permet de progresser puisqu’il permet de se confronter à un niveau respiratoire et cardiaque limite, mais permettant des adaptations.


Ce travail à SV2 est donc bien adapté et efficace notamment:

- Lors des périodes de reprise d’entraînement (en programmation inversée) au lieu de faire des séances plus hautes d’intensité synonymes de mauvais ressentis et de traumatismes,

Pour des athlètes débutants, ou plus âgés, ayant un faible potentiel aérobie car pouvant remplacer la séance de VMA par une séance à SV2,

Pour soutenir des périodes plus intenses en compétition et pour pouvoir supporter des montées lactiques (notion de clairance des lactates)


La durée des fractions d’effort (le volume total couru à SV2) peut-être ajustée en fonction du temps de maintien couru sur une durée totale comprise entre 12’ et 30’ selon le niveau.


L’entraînement à ces diverses allures aux seuils permet théoriquement à l’organisme de mieux tolérer les exercices longs et/ou intenses. C’est donc un secteur à ne pas négliger pour progresser dans le domaine cardio-respiratoire et donc pour être fin prêt sur des épreuves qui demandent de gros efforts dans ce domaine, à condition bien sûr de ne pas en abuser.


Pour finir il est tout à fait possible de mesurer ses seuils ventilatoires, afin de pouvoir bénéficier d’indicateurs d’entrainement avec notamment les vitesses correspondantes. Ce test est proposé dans certains laboratoires liés à la performance qui peut mesure également la consommation maximale d’oxygène (VO2max) et donc la VMA.



Limites du modèle d’entraînement au seuil

Comme on l’a évoqué plus haut, le travail au seuil peut épuiser l’organisme, et donc entraîner la surcharge (vs surmenage) de l’organisme car il engendre de grosses charges en volume et en intensité, surtout si il existe une fréquence prononcée dans la semaine ou dans le mois.


Il semble également que la puissance critique à partir de laquelle on perçoit l’effort comme étant pénible n’est pas toujours la même selon son état de forme et de fatigue. Les variations de cette puissance critique semble varier énormément (il y a des jours ou rien ne passe et les sensations sont désastreuses).


Le niveau de puissance critique peut donc évoluer selon la forme et l’humeur du jour. Il est donc nécessaire de pouvoir réguler, et donc important d’avoir d’autres outils comme le RPE ou pourquoi pas le DFA alpha 1 qui commence à intéresser pas mal d’entraîneurs et d’athlètes, car prenant en compte la fatigue du système nerveux autonome dans l’effort.


Le DFA alpha 1, comme une mesure de la fatigue nerveuse lors du travail aux seuils


Certains chercheurs ont émis l'hypothèse que le battement du cœur devenait plus chaotique à mesure qu'il était exposé à un stress aigu accru induit par l'exercice. Certaines études ont ainsi établi ce lien en comparant l'apport en oxygène (pour détecter les seuils aérobies et anaérobies ventilatoires) aux données ECG (et plus tard au moniteur de fréquence cardiaque portable).


Le HRV (mesure des ondes R-R) étant principalement utilisé comme une mesure de récupération, l’utilisation des données du HRV à l’effort ou DFA alpha 1 pour la détection des seuils est donc assez nouvelle.



Le DFA (ou analyse de fluctuation détrendante) alpha 1 est en fait une méthode d'estimation des seuils aérobies et anaérobies basée sur la VFc (variabilité de la fréquence cardiaque). Elle ne nécessite qu'un moniteur de fréquence cardiaque qui suit les données de cette VFc.


Elle permet ainsi de suivre les seuils sans recherche de tests dédiés comme évoqués plus haut (seuils lactiques ou ventilatoires). L’application HRV logger est ainsi une des applications fiables et récentes qui permet pour l’instant de suivre cette analyse durant l’effort.


Le DFA alpha 1 est basé sur le DFA des données HRV qui forment en fait une liste entre chaque battement de cœur successif. Il contient plus d'informations que des données simples et moyennes sur la fréquence cardiaque.


Par exemple, une fréquence cardiaque de 70 bpm est synonyme qu’un cœur bat exactement à intervalles d'une seconde. Mais ce serait aussi 70 bpm si le temps entre les battements était de 0,8 - 0,9 - 1,1, ou 1,2 secondes. Nous appelons généralement le temps entre les battements des intervalles RR.



Détection d’artefacts pour déterminer des zones de seuils

La récupération et la détection du seuil alpha 1 du DFA sont très sensibles aux artefacts de la VFc. Les artefacts étant basés sur des battements courts, la correction des données est cruciale pour une analyse significative du HRV à l’effort.


Ainsi, et pour l’instant, afin de travailler avec le moins d'artefacts possibles, seul le Polar H10 est le moniteur de fréquence cardiaque le plus fiable et donc recommandé. En général, et selon Bruce Rodgers (actuellement le principal chercheur de ce DFA alpha 1), les données contenant moins de 5 % de contamination par des artefacts sont acceptables. Les développeurs de montres connectées vont sans doute s’affairer très bientôt à optimiser ces données.


Le DFA alpha 1 peut être interprété comme l'indice de bruit de l'ensemble de données sous-jacentes. Des valeurs plus importantes de l'alpha 1 indiquent plus de corrélation sur différentes échelles, tandis que des valeurs plus faibles indiquent moins de corrélation et, en un sens, des données plus chaotiques et aléatoires.


Avec la mesure du DFA alpha 1 durant un test d’effort progressif, il est donc désormais possible de détecter les seuils, même sans protocoles de test dédiés (mesures des lactates, seuils ventilatoires).


Ainsi on peut visualiser les mesures de DFA alpha 1 évoluant de 0,75 (1er seuil de fatigue du SNA) puis 0,5 (2ème seuil de fatigue plus prononcée du SNA). Bruce Rodgers estime que ce DFA alpha 1 permet de détecter la fatigue nerveuse de l’organisme à l’efformais aussi des seuils, que l’on peut rapprocher des seuils aérobie (0,75) et seuil anérobie (0,5).


Le résultat le plus intéressant de ces travaux suggère que le DFA alpha 1 tombe en dessous de 0,75 au seuil aérobie et en dessous de 0,5 au seuil anaérobie.

Le DFA alpha 1 pourrait donc à l’avenir devenir une mesure intéressante basée sur le HRV à l’effort et ainsi déterminer les seuils aérobies et anaérobies. Intéressante car facilement accessible et non invasive ; le suivi du DFA alpha 1 nécessitant uniquement le port d'un cardiofréquencemètre fiable enregistrant des données HRV de haute qualité.


Avec un Polar H10, un smartphone et un enregistreur comme Runalyze et HRV logger, nous pouvons donc désormais surveiller la puissance et le DFA a1 après une longue séance d'exercice en vue d'atteindre une corrélation a1 plus robuste (valeurs a1 plus élevées lors de la même puissance/entraînement d'intervalle) à mesure que l’on s’entraîne et que l’on trouve la forme.


La seule limite, et elle n’est pas anodine, étant le « parasitage » de la respiration dans cette mesure de HRV qui pourrait venir perturber les mesures des artefacts durant l’effort, notamment plus prononcé chez les coureurs à pied lors d’efforts de plus en plus soutenus (3)



Conséquences pratiques de la DFA a1 et la fatigue dans l’effort long


Bruce Rodgers s’interroge sur l’utilité pratique de DFA a1 pour les entraîneurs et athlètes qui se soucient de la fatigue de leurs athlètes lors d’efforts très longs comme dans l’ultra endurance.


Il cite : "Maintenant que nous disposons de données solides montrant que le comportement a1 est affecté après un événement fatigant, comment pouvons-nous tirer parti de ces informations pour l'entraînement et les évaluations de la condition physique ? (…)  La surveillance en temps réel du DFA a1 pendant l'exercice d'endurance pourrait être utilisée pour informer une personne de l'état physiologique actuel (fatigue) et de la déstabilisation métabolique potentielle."


Bien que le comportement alpha 1 soit probablement ignoré en tant que mesure de sécurité durant une course, la connaissance d'un déclin inapproprié au cours d'une longue séance d'entraînement pourrait empêcher le stress indésirable et signaler quand il est temps de reculer ou de s'arrêter complètement.


Par exemple, en se préparant à un ultra trail ou à une longue épreuve sur route, on peut effectuer de très longues séances d'entraînement d'endurance avant l’événement et il peut être intéressant d'avoir un avertissement quant à la déstabilisation métabolique imminente (y compris les lésions organiques).


Ainsi l'observation en temps réel de DFA a1 pourrait être particulièrement utile dans ce cas. Si l'on voit, par exemple, une suppression marquée dans la plage anti-corrélée (< 0,5) à un rythme qui est généralement facile pour l'athlète, cela pourrait être synonyme d’un stress potentiel et d’un entraînement qui engendre des contraintes non adaptées.


Enfin et selon Bruce Rodgers : "Il est également possible que la modification de la cinétique du DFA a1, telle qu'un retard de son déclin sur un rythme/distance donné à la suite d'une intervention d'entraînement, puisse signifier une amélioration de l'état de performance".


Un peu comme le décalage vers la droite des seuils lactiques ou ventilatoires souhaités par tous les entraîneurs pour améliorer le potentiel aérobie de l’athlète.


L’utilisation de DFA alpha 1 pourrait présenter des avantages potentiels importants pour les athlètes d'endurance qui devraient passer 80 % de leur temps d'entraînement à effectuer des exercices aérobie et selon Marco Altini si cette méthode est approfondie et plus poussée dans son développement, alors elle pourrait être l'une des plus grandes «

"découvertes" de ces dernières années, une découverte qui pourrait avoir un impact sur l'ensemble de notre entraînement quotidien.


(1) Aussi, et dans ces allures, la glycolyse est peu sollicitée, les NAD étant en quantité suffisante pour transporter tous les protons (NADH+) dans la mitochondrie. L’acide pyruvique, en se transformant en acétyl- Coenzyme A (acétyl-CoA) pénètre dans la mitochondrie, et par le cycle de Krebs et la chaîne respiratoire va produire de l’eau et de l’énergie (dont environ 25% seront utilisée pour la reconstitution de l’Adénosine Tri Phosphate musculaire).

(2) Cette accumulation altère en fait le fonctionnement enzymatique lors de la glycolyse, les échanges d’ions lors de la contraction musculaire et du déplacement de l’influx nerveux

(3) Effects of breathing patterns and light exercise on linear and nonlinear heart rate variability, April 2015, Applied Physiology Nutrition and Metabolism 40:1-7, Matthias Weippert, Kristin Behrens, Annika Fenger, Martin Behrens

(4) Marco Altini est probablement le plus grand expert mondial de l'utilisation du HRV en physiologie du sport et de la remise en forme et il conseille plusieurs des principales entreprises sportives, comme Strava notamment.


Sources et références


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2 Comments


Rudy Coia SP
Rudy Coia SP
Jul 09, 2023

Excellent article ! Merci beaucoup Eric !

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Dr. Pascal ZELLNER
Dr. Pascal ZELLNER
Mar 20, 2022

Merci Eric pour cette mise au point, effectivement on est pas mal à attendre bcp de DFA alpha 1 et merci pour l'indo sur HRVlogger, 9,99€ bien investis à mon sens, cela me donne pas mal d'idée pour la surveillance des trails en très haute altitude du style surveillance DFA alpha 1 et survenue de MAM. Dans UP les auteurs donnent un petit truc pour approximer SV1 , il s'agit de la FC au delà de laquelle tu ne peux plus respirer par le nez ou parlez aisément qu'en penses tu ? En tout encore merci pour cette bonne nouvelle.

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