22.6 : Modifications des fonctions respiratoires

Objectifs d'apprentissage

• Définir les termes hyperpnée et hyperventilation
• Décrire l'effet de l'exercice sur le système respiratoire
• Décrire l'effet de la haute altitude sur le système respiratoire
• Discutez du processus d'acclimatation

Au repos, le système respiratoire exerce ses fonctions à un rythme constant, régulé par les centres respiratoires du cerveau. À ce rythme, la ventilation fournit suffisamment d'oxygène à tous les tissus du corps. Cependant, il arrive que le système respiratoire doive modifier le rythme de ses fonctions afin de répondre aux besoins en oxygène du corps.

Hyperpnée

L'hyperpnée est une augmentation de la profondeur et du débit de ventilation visant à répondre à une augmentation de la demande en oxygène, comme on peut le constater lors d'exercices ou de maladies, en particulier de maladies qui ciblent les voies respiratoires ou digestives. Cela ne modifie pas de manière significative les niveaux d'oxygène ou de dioxyde de carbone dans le sang, mais augmente simplement la profondeur et le taux de ventilation pour répondre à la demande des cellules. En revanche, l'hyperventilation est une augmentation du débit de ventilation qui est indépendante des besoins en oxygène des cellules et qui entraîne des taux anormalement bas de dioxyde de carbone dans le sang et un pH sanguin (alcalin) élevé.

Il est intéressant de noter que l'exercice ne provoque pas d'hyperpnée comme on pourrait le penser. Les muscles qui travaillent pendant l'exercice augmentent leur demande en oxygène, ce qui stimule l'augmentation de la ventilation. Cependant, l'hyperpnée pendant l'exercice semble survenir avant qu'une baisse du taux d'oxygène dans les muscles ne se produise. Par conséquent, l'hyperpnée doit être provoquée par d'autres mécanismes, soit à la place, soit en plus d'une baisse du taux d'oxygène. Les mécanismes exacts à l'origine de l'hyperpnée liée à l'exercice ne sont pas bien compris, et certaines hypothèses sont quelque peu controversées. Cependant, en plus de faibles niveaux d'oxygène, de dioxyde de carbone et de faibles niveaux de pH, il semble y avoir une interaction complexe de facteurs liés au système nerveux et aux centres respiratoires du cerveau.

Tout d'abord, la décision consciente de faire de l'exercice, ou toute autre forme d'effort physique, entraîne un stimulus psychologique qui peut inciter les centres respiratoires du cerveau à augmenter la ventilation. De plus, les centres respiratoires du cerveau peuvent être stimulés par l'activation de motoneurones qui innervent les groupes musculaires impliqués dans l'activité physique. Enfin, l'effort physique stimule les propriocepteurs, qui sont des récepteurs situés dans les muscles, les articulations et les tendons, qui détectent les mouvements et les étirements ; les propriocepteurs créent ainsi un stimulus qui peut également déclencher les centres respiratoires du cerveau. Ces facteurs neuronaux sont compatibles avec l'augmentation soudaine de la ventilation qui est observée immédiatement au début de l'exercice. Comme les centres respiratoires sont stimulés par des apports psychologiques, des motoneurones et des propriocepteurs tout au long de l'exercice, le fait qu'il y ait également une diminution soudaine de la ventilation immédiatement après la fin de l'exercice, lorsque ces stimuli neuronaux cessent, confirme encore l'idée qu'ils sont impliqués dans déclenchant les changements de ventilation.

Effets de haute altitude

Une augmentation de l'altitude entraîne une diminution de la pression atmosphérique. Bien que la proportion d'oxygène par rapport aux gaz dans l'atmosphère reste à 21 pour cent, sa pression partielle diminue (Tableau\(\PageIndex{1}\)). Par conséquent, il est plus difficile pour un corps d'atteindre le même niveau de saturation en oxygène à haute altitude qu'à basse altitude, en raison de la baisse de la pression atmosphérique. En fait, la saturation en hémoglobine est plus faible à haute altitude que la saturation en hémoglobine au niveau de la mer. Par exemple, la saturation en hémoglobine est d'environ 67 % à 19 000 pieds au-dessus du niveau de la mer, alors qu'elle atteint environ 98 % au niveau de la mer.

Tableau\(\PageIndex{1}\)

Pression partielle d'oxygène à différentes altitudes
Exemple de localisation	Altitude (pieds au-dessus du niveau de la mer)	Pression atmosphérique (mm Hg)	Pression partielle d'oxygène (mm Hg)
New York, New York	0	760	159
Boulder, Colorado	5000	632	133
Aspen, Colorado	8000	565	118
Pike's Peak, Colorado	14 000	447	94
Denali (Mont. McKinley), Alaska	20 000	350	73
Mont. Everest, Tibet	29 000	260	54

Comme vous vous en souvenez, la pression partielle est extrêmement importante pour déterminer la quantité de gaz qui peut traverser la membrane respiratoire et pénétrer dans le sang des capillaires pulmonaires. Une pression partielle d'oxygène plus faible signifie qu'il y a une plus petite différence de pression partielle entre les alvéoles et le sang, de sorte que moins d'oxygène traverse la membrane respiratoire. Par conséquent, moins de molécules d'oxygène sont liées à l'hémoglobine. Malgré cela, les tissus du corps reçoivent toujours une quantité suffisante d'oxygène pendant le repos à haute altitude. Cela est dû à deux mécanismes majeurs. Tout d'abord, le nombre de molécules d'oxygène qui pénètrent dans les tissus par le sang est presque égal entre le niveau de la mer et la haute altitude. Au niveau de la mer, la saturation en hémoglobine est plus élevée, mais seul un quart des molécules d'oxygène sont réellement libérées dans les tissus. À haute altitude, une plus grande proportion de molécules d'oxygène est libérée dans les tissus. Deuxièmement, à haute altitude, une plus grande quantité de BPG est produite par les érythrocytes, ce qui améliore la dissociation de l'oxygène de l'hémoglobine. L'effort physique, tel que le ski ou la randonnée, peut provoquer le mal de l'altitude en raison de la faible quantité de réserves d'oxygène dans le sang à haute altitude. Au niveau de la mer, le sang veineux contient une grande réserve d'oxygène (même si le sang veineux est considéré comme « désoxygéné ») dans laquelle les muscles peuvent puiser pendant l'effort physique. Comme la saturation en oxygène est beaucoup plus faible à haute altitude, cette réserve veineuse est faible, ce qui entraîne des symptômes pathologiques de faibles taux d'oxygène dans le sang. Vous avez peut-être entendu dire qu'il est important de boire plus d'eau lorsque vous voyagez à des altitudes plus élevées que celles auxquelles vous êtes habitué. En effet, votre corps augmentera la miction (miction) à haute altitude pour neutraliser les effets de la baisse des niveaux d'oxygène. En éliminant les liquides, les taux plasmatiques diminuent, mais pas le nombre total d'érythrocytes. De cette manière, la concentration globale d'érythrocytes dans le sang augmente, ce qui aide les tissus à obtenir l'oxygène dont ils ont besoin.

Le mal aigu des montagnes (AMS), ou mal de l'altitude, est une affection qui résulte d'une exposition aiguë à de hautes altitudes due à une faible pression partielle d'oxygène à haute altitude. L'AMS peut généralement se produire à 2 400 mètres (8 000 pieds) au-dessus du niveau de la mer. L'AMS est le résultat d'un faible taux d'oxygène dans le sang, car le corps a de grandes difficultés à s'adapter à la faible pression partielle d'oxygène. Dans les cas graves, l'AMS peut provoquer un œdème pulmonaire ou cérébral. Les symptômes du SMA incluent des nausées, des vomissements, de la fatigue, des étourdissements, de la somnolence, une sensation de désorientation, une accélération du pouls et des saignements de nez. Le seul traitement du SMA consiste à descendre à une altitude plus basse ; toutefois, des traitements pharmacologiques et des suppléments d'oxygène peuvent atténuer les symptômes. L'AMS peut être évitée en montant lentement jusqu'à l'altitude souhaitée, ce qui permet au corps de s'acclimater et de maintenir une hydratation adéquate.

Acclimatation

En particulier dans les situations où l'ascension se fait trop rapidement, les déplacements vers des zones de haute altitude peuvent provoquer un AMS. L'acclimatation est le processus d'ajustement que le système respiratoire effectue en raison d'une exposition chronique à une altitude élevée. Au fil du temps, le corps s'ajuste pour s'adapter à la pression partielle plus faible d'oxygène. La faible pression partielle d'oxygène à haute altitude entraîne une baisse du taux de saturation en oxygène de l'hémoglobine dans le sang. À leur tour, les niveaux d'oxygène dans les tissus sont également plus faibles. En conséquence, les reins sont stimulés pour produire l'hormone érythropoïétine (EPO), qui stimule la production d'érythrocytes, ce qui entraîne la circulation d'un plus grand nombre d'érythrocytes chez un individu à haute altitude sur une longue période. Avec un plus grand nombre de globules rouges, il y a plus d'hémoglobine pour aider à transporter l'oxygène disponible. Même si la saturation de chaque molécule d'hémoglobine est faible, il y aura plus d'hémoglobine présente et donc plus d'oxygène dans le sang. Au fil du temps, cela permet à la personne de faire des efforts physiques sans développer de SMA.

Révision du chapitre

Normalement, les centres respiratoires du cerveau maintiennent un cycle respiratoire constant et rythmé. Cependant, dans certains cas, le système respiratoire doit s'adapter aux changements de situation afin de fournir suffisamment d'oxygène à l'organisme. Par exemple, l'exercice entraîne une augmentation de la ventilation et une exposition chronique à une altitude élevée entraîne une augmentation du nombre d'érythrocytes en circulation. L'hyperpnée, une augmentation de la vitesse et de la profondeur de la ventilation, semble être fonction de trois mécanismes neuronaux, notamment un stimulus psychologique, l'activation des motoneurones des muscles squelettiques et l'activation des propriocepteurs dans les muscles, les articulations et les tendons. Par conséquent, l'hyperpnée liée à l'exercice commence au début de l'exercice, et non lorsque la demande en oxygène des tissus augmente réellement.

En revanche, une exposition aiguë à une altitude élevée, en particulier pendant les périodes d'effort physique, entraîne une baisse des taux d'oxygène dans le sang et les tissus. Ce changement est dû à une faible pression partielle d'oxygène dans l'air, car la pression atmosphérique à haute altitude est inférieure à la pression atmosphérique au niveau de la mer. Cela peut entraîner une affection appelée mal aigu des montagnes (AMS) avec des symptômes tels que maux de tête, désorientation, fatigue, nausées et étourdissements. Sur une longue période, le corps d'une personne s'adapte à la haute altitude, un processus appelé acclimatation. Au cours de l'acclimatation, les faibles niveaux d'oxygène dans les tissus amènent les reins à produire de plus grandes quantités de l'hormone érythropoïétine, qui stimule la production d'érythrocytes. L'augmentation des taux d'érythrocytes circulants augmente la quantité d'hémoglobine qui contribue à fournir plus d'oxygène à la personne, prévenant ainsi les symptômes du SMA.

Questions de révision

Q. L'augmentation de la ventilation qui entraîne une augmentation du pH sanguin est appelée ________.

A. Hyperventilation

B. hyperpnée

C. acclimatation

D. apnée

Réponse : A

Q. L'exercice peut déclencher les symptômes du SMA pour lequel des facteurs suivants ?

A. faible pression partielle d'oxygène

B. basse pression atmosphérique

C. signaux neuronaux anormaux

D. petite réserve veineuse d'oxygène

Réponse : D

Q. Lequel des éléments suivants stimule la production d'érythrocytes ?

A. ARMES

B. taux élevés de dioxyde de carbone dans le sang

C. basse pression atmosphérique

D. érythropoïétine

Réponse : D

Questions sur la pensée critique

Q. Décrivez les facteurs neuraux impliqués dans l'augmentation de la ventilation pendant l'exercice.

R. Trois facteurs neuronaux jouent un rôle dans l'augmentation de la ventilation observée pendant l'exercice. Comme cette ventilation accrue se produit au début de l'exercice, il est peu probable que seuls les niveaux d'oxygène et de dioxyde de carbone dans le sang soient impliqués. Le premier facteur neuronal est le stimulus psychologique qui pousse à prendre la décision consciente de faire de l'exercice. Le deuxième facteur neuronal est le stimulus de l'activation des motoneurones par les muscles squelettiques, qui participent à l'exercice. Le troisième facteur neural est l'activation des propriocepteurs situés dans les muscles, les articulations et les tendons qui stimulent l'activité des centres respiratoires.

Q. Quel est le principal mécanisme qui entraîne l'acclimatation ?

R. L'un des principaux mécanismes impliqués dans l'acclimatation est la production accrue d'érythrocytes. Une baisse du taux d'oxygène dans les tissus stimule les reins à produire l'hormone érythropoïétine, qui indique à la moelle osseuse de produire des érythrocytes. Par conséquent, les personnes exposées à une altitude élevée pendant de longues périodes ont un plus grand nombre d'érythrocytes en circulation que les personnes vivant à basse altitude.

Lexique

mal aigu des montagnes (AMS)

affection résultant d'une exposition aiguë à haute altitude due à une faible pression partielle d'oxygène

acclimatation

processus d'ajustement effectué par le système respiratoire en raison d'une exposition chronique à de hautes altitudes

hyperpnée

augmentation du débit et de la profondeur de ventilation en raison d'une augmentation de la demande en oxygène qui n'altère pas de manière significative les niveaux d'oxygène ou de dioxyde de carbone

hyperventilation

augmentation du débit de ventilation entraînant un taux anormalement bas de dioxyde de carbone dans le sang et un pH sanguin (alcalin) élevé