22.6 Modifications des fonctions respiratoires
Objectifs d'apprentissage
À la fin de cette section, vous serez en mesure de :
- 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
- Discuter du processus d'acclimatation
Au repos, le système respiratoire remplit ses fonctions à un rythme constant et régulier, tel que 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 demandes en oxygène du corps.
Hyperpnée
L'hyperpnée est une augmentation de la profondeur et du rythme de la ventilation pour répondre à une demande accrue en oxygène, comme on peut le voir lors d'un exercice ou d'une maladie, en particulier les maladies qui ciblent les tractus respiratoire ou digestif. Cela ne modifie pas significativement les niveaux d'oxygène ou de dioxyde de carbone dans le sang, mais augmente simplement la profondeur et le rythme de la ventilation pour répondre à la demande des cellules. En revanche, l'hyperventilation est une augmentation du rythme ventilatoire indépendante des besoins cellulaires en oxygène et entraîne des niveaux anormalement bas de dioxyde de carbone dans le sang et un pH sanguin 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, stimulant une augmentation de la ventilation. Cependant, l'hyperpnée pendant l'exercice semble se produire avant qu'une baisse des niveaux d'oxygène dans les muscles ne puisse survenir. Par conséquent, l'hyperpnée doit être entraînée par d'autres mécanismes, soit à la place, soit en plus d'une baisse des niveaux d'oxygène. Les mécanismes exacts derrière l'hyperpnée d'exercice ne sont pas bien compris, et certaines hypothèses sont quelque peu controversées. Cependant, en plus des faibles niveaux d'oxygène, des niveaux élevés de dioxyde de carbone et des faibles niveaux de pH, il semble y avoir une interaction complexe de facteurs liés au système nerveux et aux centres respiratoires du cerveau.
Premièrement, une décision consciente de participer à un exercice, ou à une autre forme d'effort physique, entraîne un stimulus psychologique qui peut déclencher les centres respiratoires du cerveau pour 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 le mouvement et l'étirement ; les propriocepteurs créent ainsi un stimulus qui peut également déclencher les centres respiratoires du cerveau. Ces facteurs neuronaux sont cohérents avec l'augmentation soudaine de la ventilation observée dès le début de l'exercice. Étant donné que les centres respiratoires sont stimulés par des apports psychologiques, motoneuronaux et proprioceptifs 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, soutient davantage l'idée qu'ils sont impliqués dans le déclenchement des changements de ventilation.
Effets de la 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 22.4). Par conséquent, il est plus difficile pour un corps d'atteindre le même niveau de saturation en oxygène en haute altitude qu'en basse altitude, en raison d'une pression atmosphérique plus faible. En fait, la saturation en hémoglobine est plus faible en haute altitude par rapport à la saturation en hémoglobine au niveau de la mer. Par exemple, la saturation en hémoglobine est d'environ 67 pour cent à 19 000 pieds au-dessus du niveau de la mer, alors qu'elle atteint environ 98 pour cent au niveau de la mer.
| Lieu d'exemple | Altitude | Pression atmosphérique | Pression partielle d'oxygène |
|---|---|---|---|
| New York City, New York | 0 | 760 | 159 |
| Boulder, Colorado | 5000 | 632 | 133 |
| Aspen, Colorado | 8000 | 565 | 118 |
| Pike’s Peak, Colorado | 14,000 | 447 | 94 |
| Denali, Alaska | 20,000 | 350 | 73 |
| Mt. Everest, Tibet | 29,000 | 260 | 54 |
Comme vous vous en souvenez, la pression partielle est extrêmement importante pour déterminer la quantité de gaz pouvant 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 pressions partielles entre les alvéoles et le sang, de sorte que moins d'oxygène traverse la membrane respiratoire. En conséquence, moins de molécules d'oxygène sont liées par l'hémoglobine. Malgré cela, les tissus du corps reçoivent toujours une quantité suffisante d'oxygène au repos en haute altitude. Cela est dû à deux mécanismes majeurs. Premièrement, le nombre de molécules d'oxygène qui pénètrent dans le tissu à partir du sang est presque égal entre le niveau de la mer et les hautes altitudes. Au niveau de la mer, la saturation en hémoglobine est plus élevée, mais seulement un quart des molécules d'oxygène sont réellement libérées dans le tissu. En haute altitude, une plus grande proportion de molécules d'oxygène est libérée dans les tissus. Deuxièmement, en 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, comme le ski ou la randonnée, peut entraîner le mal des montagnes en raison de la faible quantité de réserves d'oxygène dans le sang en haute altitude. Au niveau de la mer, il y a une grande quantité de réserve veineuse d'oxygène dans le sang veineux (même si le sang veineux est considéré comme « désoxygéné ») que les muscles peuvent utiliser pendant l'effort physique. Étant donné que la saturation en oxygène est beaucoup plus faible en haute altitude, cette réserve veineuse est petite, ce qui entraîne des symptômes pathologiques de faibles niveaux 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. C'est parce que votre corps augmentera la miction en haute altitude pour contrecarrer les effets des niveaux d'oxygène plus faibles. En éliminant les fluides, les niveaux de plasma sanguin diminuent mais pas le nombre total d'érythrocytes. De cette façon, 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, ou mal d'altitude, est une condition résultant d'une exposition aiguë à de hautes altitudes due à une faible pression partielle d'oxygène en haute altitude. L'MAM peut généralement survenir à 2400 mètres (8000 pieds) au-dessus du niveau de la mer. L'MAM est le résultat de faibles niveaux d'oxygène dans le sang, car le corps a des difficultés aiguës à s'adapter à la faible pression partielle d'oxygène. Dans les cas graves, l'MAM peut provoquer un œdème pulmonaire ou cérébral. Les symptômes de l'MAM comprennent des nausées, des vomissements, de la fatigue, des étourdissements, de la somnolence, une sensation de désorientation, une augmentation du pouls et des saignements de nez. Le seul traitement de l'MAM est la descente à une altitude plus basse ; cependant, les traitements pharmacologiques et l'oxygène supplémentaire peuvent améliorer les symptômes. L'MAM peut être prévenue en montant lentement à l'altitude désirée, en permettant au corps de s'acclimater, ainsi qu'en maintenant une hydratation adéquate.
Acclimatation
Surtout dans les situations où l'ascension se produit trop rapidement, voyager dans des zones de haute altitude peut provoquer l'MAM. L'acclimatation est le processus d'ajustement que le système respiratoire effectue en raison d'une exposition chronique à une haute altitude. Sur une période donnée, le corps s'adapte pour compenser la pression partielle d'oxygène plus faible. La faible pression partielle d'oxygène en haute altitude entraîne un niveau de saturation en oxygène de l'hémoglobine dans le sang plus faible. À son 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, entraînant un plus grand nombre d'érythrocytes circulants chez un individu en haute altitude sur une longue période. Avec plus de globules rouges, il y a plus d'hémoglobine pour aider à transporter l'oxygène disponible. Même s'il y a une faible saturation de chaque molécule d'hémoglobine, 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 participer à un effort physique sans développer l'MAM.