Cet article explore en profondeur les relations complexes entre la fréquence cardiaque, le lactate et le VO2, en se concentrant particulièrement sur l'importance du seuil 1 dans les sports d'endurance.
Introduction
Dans le domaine des sports d'endurance, comprendre les zones d'intensité est fondamental pour réussir. Pour progresser dans les sports d'endurance (course à pied, trail, cyclisme, triathlon), s'entraîner dans les bonnes zones d'intensité est le socle de votre réussite. Pour cela, il est important de savoir comment déterminer vos zones d'entraînement afin de vous assurer qu'elles correspondent à votre niveau de forme et votre physiologie.
Fréquence cardiaque maximale (FC Max)
Il est intéressant de définir le terme physique qu’est la Fréquence Cardiaque Maximale, car il intervient sur les allures à réaliser lors des efforts. La plus connue et la moins fiable étant le 220 moins l’âge. Une méthode plus fiable est celle de Robergs et Lanwher (2002) : FCMax = 208,754 - 0,734 x âge.
Comment évaluer les zones de fréquence cardiaque
Au sein de ce guide, nous allons voir comment calculer vos 5 zones de fréquence cardiaque avec un calculateur précis. Pour connaître votre FC Max, il faut réaliser un test de fréquence cardiaque. Le choix du calculateur dépend de votre besoin de précision. Si vous débutez, le Classique (% de FC Max) est une excellente porte d'entrée. Pour nos calculs, nous utilisons le modèle du Comité Olympique Norvégien, validé par la communauté scientifique et les meilleurs coachs d'endurance. Ce modèle est le plus adapté pour le sportif d'endurance régulier (course à pied, trail, cyclisme, triathlon, ski de fond…).
Zones d'intensité d'entraînement
Zone 1 : Intensité perçue (RPE) : L'effort est ressenti comme très léger ou léger. Il doit rester confortable et très facile, même sur une durée prolongée. Fréquence cardiaque : Elle se situe entre 55 % et 72 % de la FC Max. La ventilation est faible, généralement moins de 30 respirations par minute. Cette zone mobilise environ 45 % à 55 % de la VO2max. La durée varie selon le sport : à partir de 45 minutes pour la course à pied, elle peut s'étendre sur plusieurs heures pour le trail ou le cyclisme. L'épuisement total dans cette zone n'intervient qu'après plusieurs heures pour un athlète entraîné.
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Zone 2 : Perception de l'effort (RPE) : L'effort est qualifié de "plutôt léger". La fréquence respiratoire reste généralement inférieure à 30 respirations par minute. Cette zone correspond à environ 55 % à 72 % de la VO2max. La durée d'une séance varie généralement de 45 minutes à 3 heures et plus. Le temps théorique avant épuisement est normalement de 3 à 6 heures, et parfois plus en fonction du niveau de l'athlète et du sport pratiqué. La zone 2 est une intensité d'entraînement aérobie qui doit rester perçue comme "assez facile", même lorsqu'elle est pratiquée de manière continue sur une longue durée.
Zone 3 : Perception de l'effort (RPE) : L'effort est ressenti comme "assez dur". Fréquence cardiaque : Elle se situe entre environ 82 % et 87 % de la FC Max. La fréquence respiratoire augmente pour atteindre 30 à 50 respirations par minute. Cette zone correspond à environ 70 % à 80 % de la VO2max. La durée totale de travail effectif varie généralement de 20 à 90 minutes. Le temps théorique avant épuisement est normalement de 1 à 2 heures. La Zone 3 est idéale pour développer votre résistance à la fatigue et votre endurance à des intensités proches de l'allure "course", à un rythme soutenu mais durable.
Zone 4 : Perception de l'effort (RPE) : L'effort est qualifié de "difficile". Fréquence cardiaque : Elle se situe entre environ 87 % et 92 % de la FC Max. La fréquence respiratoire est très élevée, généralement supérieure à 40 respirations par minute. En course à pied, cela correspond environ à l'allure d'un 10 km jusqu'au semi-marathon pour un athlète entraîné. Cette zone correspond à environ 75 % à 85 % de la VO2max. La durée totale de travail effectif dans la séance varie généralement de 20 à 60 minutes. Le temps théorique avant épuisement est d'environ 45 à 60 minutes (avec de fortes variations individuelles). La Zone 4 est la zone de prédilection pour développer votre seuil anaérobie. Elle est généralement effectuée en fractionné pour permettre d'accumuler un volume de travail plus important à cette intensité élevée. C'est une zone très utile pour travailler la vitesse tout en limitant la fatigue et le temps de récupération, contrairement à la zone 5.
Zone 5 : Perception de l'effort (RPE) : L'effort est qualifié de « très difficile à maximal ». Fréquence cardiaque : Elle se situe généralement à environ 92 % de la FC Max et plus. La fréquence respiratoire est maximale, dépassant souvent les 40 respirations par minute. Cette zone sollicite entre 85 % et 100 % de votre VO2max. La durée totale cumulée de travail effectif lors d'une séance est comprise entre 15 et 30 minutes. L'objectif principal de la Zone 5 est de maximiser votre consommation d'oxygène (VO2max) et développer votre vitesse et votre puissance maximale. Toutefois, elle génère beaucoup de fatigue et de stress, ce qui augmente significativement le temps de récupération et le risque de blessure.
Différentes approches pour la définition des zones
Pour définir vos zones, trois approches principales sont généralement utilisées. Spécificité : Votre FC Max peut varier de 5 % entre la course et le vélo. Les zones sont ensuite définies en pourcentage de votre FC Max. Le calcul de vos zones cibles : Contrairement à la méthode classique, on n'applique pas le pourcentage directement sur la FC Max, mais sur la réserve, avant d'y ajouter votre FC au repos. Avantage : Si votre condition physique s'améliore (baisse de la FC au repos), votre réserve s'agrandit et vos zones s'ajustent automatiquement. Le calcul : On utilise uniquement la fréquence cardiaque moyenne des 20 dernières minutes du test. Avantage : Cette méthode permet d'estimer votre seuil, qui varie fortement d'un sportif à l'autre, et de la période de l'année en fonction de votre forme.
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Les limites des méthodes standards et l'importance de l'individualisation
La plupart des montres cardio (Garmin, Polar, Suunto, Coros) utilisent par défaut des zones basées sur l'âge. Comme nous l'avons vu, la variabilité individuelle de la FC Max est telle que ces réglages sont souvent erronés. Les capteurs optiques au poignet présentent une marge d’erreur considérable, et ne sont pas du tout précis pour mesurer votre fréquence cardiaque.
Facteurs influençant la fréquence cardiaque
Des facteurs comme la déshydratation, la chaleur, le manque de sommeil ou le stress mental peuvent faire fluctuer votre FC de 5 à 10 battements pour un même effort. Un cœur qui refuse de monter dans les tours lors d'une séance intense, avec une fatigue présente et une vitesse diminuée, peut être un signe de surentraînement ou d'une fatigue accumulée importante.
Seuil 1 : Définition et importance
Le seuil 1 est une métrique déterminante dans les sports d’endurance. Le seuil 1 est aussi appelé “seuil aérobie (SA)”, “seuil lactate 1 (SL1)”, “seuil de variabilité cardiaque 1 (SVFC1)” et “seuil ventilatoire 1 (SV1)”.
Métabolisme et seuil 1
En dessous du premier seuil, la production d’ATP est principalement faite par la phosphorylation oxydative, en conséquence les métabolites (Pi, ADP, H+) ne s’accumulent pas. Les concentrations de lactate sanguin seront stables sous le seuil 1 et proche du niveau de base, alors qu’au-dessus, la concentration de lactate sanguin peut se stabiliser, mais à des concentrations supérieures au niveau de base.
Applications pratiques du seuil 1
Pour certaines disciplines (eg. Ironman), le seuil 1 sera le rythme de course. Pour les athlètes d’épreuves plus courtes, un seuil 1 très élevé sera toujours intéressant. Les athlètes pour qui le seuil 1 apparaît tardivement sont ceux qui utilisent généralement mieux les lipides et qui ont une plus grande répartition de fibre oxydative de type I (Achten, J, and A E Jeukendrup., 2004).
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Seuil 1 et performance
On ne fait pas la différence sur une course directement grâce à son seuil 1. Le lien est indirect. On fatigue moins avec un excellent seuil 1. Sur le long terme, l’augmentation du volume d’entrainement est la variable la plus corrélé à l’augmentation de la performance (Schmitt, Laurent et al., 2020 ; Casado, Arturo et al., 2021). En effet, chez les athlètes bien entraînés, le seuil 1 semble délimiter l’intensité en dessous de laquelle la perturbation du système nerveux autonome (SNA) post-exercice, mesurée par la variabilité de la fréquence cardiaque (VFC), est minimale (Seiler, Stephen et al., 2007). Un bloc de travail sous le premier seuil permet même d’augmenter la VFC mesuré au réveil, ce travail est donc essentiel à la restauration de l’équilibre du SNA (augmentation de l’activation de la branche parasympathique). Un entraînement au-dessus du seuil 1 impactera l’équilibre du SNA, la fatigue et le temps de récupération nécessaires après l’entraînement sont augmentés. Ainsi, lorsque l’entraînement en dessous du seuil 1, c’est à dire de l’endurance fondamentale, est programmé avec précision dans le plan d’entraînement, des volumes d’entraînement globaux plus importants peuvent être atteints. Dorénavant, la plupart des approches de l’entraînement recommandent de passer une majorité du temps à basse intensité, sous le seuil 1 (Muñoz et al., 2014 ; Stöggl and Sperlich, 2014, 2019 ; Bourgois et al., 2019 ; Casado et al., 2019).
Entraînement spécifique au seuil 1
Enfin, l’entrainement spécifique au seuil 1 est une méthode d’entrainement très efficace. En effet, on peut accumuler beaucoup de charge pour une fatigue minimale. C’est très intéressant pour les athlètes avec un volume d’entraînement limité. Mais aussi en saison pour ceux qui font beaucoup de compétition. Pour eux, faire des séances de seuil 1 entre les courses permettre d’entretenir les seuils sans engendrer trop de fatigue.
Identification du seuil 1
Idéalement, la meilleure approche pour identifier votre premier seuil est de faire du testing physiologique. L’identification se fera grâce aux mesures d’échanges gazeux ou de la lactatémie. Vous aurez ensuite une puissance et une fréquence cardiaque correspondante au seuil 1. Attention cependant à votre fréquence cardiaque. Sur une sortie longue, celle-ci peut dériver mais ce n’est pas pour autant que vous passez votre premier seuil.
Seuil 1 et lactatémie
D’un point de vue de la lactatémie, le seuil 1 marque la puissance maximale qui peut être maintenu avec une lactatémie proche du niveau de base. Beaucoup de lactates sont déjà produit à cette intensité, cependant, la quantité de lactate consommé est égale à la production, raison de la stabilité de la lactatémie. Le seuil 1 est d’ailleurs l’intensité parfaite pour travailler le “lactate shuttling”. Au-dessus du seuil 1, l’augmentation de l’intensité est permise par l’augmentation de la sollicitation de la filière glycolytique. Le produit final de la filière glycolytique étant le lactate, sa production augmente.
Au-delà du seuil 1 : modifications physiologiques
Au-dessus du seuil 1, la filière glycolytique contribue de plus en plus à la fourniture de l’énergie, et le système tampon (producteur de CO2) est de plus en plus sollicité. Ainsi, la production de CO2 augmente plus vite que la consommation d’O2.
Estimation du seuil 1 sans tests de laboratoire
Cependant, nous comprenons que tout le monde ne puisse pas réaliser des tests de laboratoire. Phil Maffetone a proposé l’estimation « MAF » de la fréquence cardiaque au premier seuil (Maffetone and Laursen., 2020). Sa méthode consiste à soustraire l’age de 180, avec quelques ajustements selon le statut d’entraînement. La formule de Karvonen suggère de prendre 60 à 70 % de ce nombre, puis de rajouter la fréquence cardiaque au repos. Par exemple, 60 % de 145 bpm = 87 bpm ; 87 bpm + 50 RHR = 137 bpm. Quoi qu’il arrive, les zones cardiaques déterminées avec des formules ne seront toujours que des estimations.
Test de la parole
Ce test pourrait donc être un moyen facile et accessible d’estimer les seuils et en particulier le premier seuil. La valeur issue de ce test pourra donc vous servir de repère d’intensité à ne pas dépasser pour vos séances d’endurance. L'une des méthodes les plus fiables pour déterminer votre SV1 est d'effectuer le test de la parole. Tant que vous êtes sous votre seuil aérobie, vous pouvez parler normalement avec de longues phrases sans avoir besoin de reprendre votre souffle en plein milieu. Ces estimations sont des moyennes, avec + ou - 5% d'écart entre les sportifs.
Variabilité de la fréquence cardiaque et seuil 1
Le gros atout de cette méthode est la possible détermination du seuil 1 en direct, pendant un entrainement. Avec les connaissances actuelles, on ne recommande cependant pas la détermination des seuils avec DFA a1. Les seuils universels ne semblent pas fonctionner (valeur à 0,75 pour le seuil 1 et pour tout le monde) (C. R. van Rassel et al., 2023 ; Mateo-March, Manuel et al., 2022). En effet, pour certains, le HRVT1 surestime de près de 25bpm le seuil 1 (Figure 6). Peut être qu’à l’avenir il y aura un protocole pour individualiser ces seuils ?
Amélioration du seuil 1
Maintenant que vous savez comment déterminer le seuil 1, vous vous demandez peut être comment l’améliorer ?
L’augmentation du volume d’entraînement en endurance (Zone 2 sur un modèle à 7 zones).
Augmenter la régularité d’entraînement. S’entraîner souvent est effectivement une des clés pour augmenter ses capacités d’endurances et diminuer la contribution du système glycolytique.
L’entraînement sous le seuil 2 et/ou la faible cadence avec un couple (force) élevé : l’équilibre des deux capacités, glycolytique ou oxydatif, est notamment relié à la composition du type de fibres musculaires de l’athlète. Plus l’utilisation de type IIx (fibres glycolytiques à contraction rapide) est importante, plus la contribution glycolitique sera élevée. L’intensité juste sous le LT2 ou encore du travail à faible cadence et intensité élevé recrute plus de fibres oxydatives à contraction rapide (type IIa) pour créer des adaptations positives d’efficacité et économie grâce à une plus grande biogenèse mitochondriale en leur sein.
Seuil 2 : Définition
Le SV2 est le moment où votre corps produit plus de lactate qu'il est capable d'en recycler. Vous recrutez massivement vos fibres rapides qui produisent plus de déchets métaboliques et vos muscles arrivent rapidement à l'épuisement. La respiration devient très rapide, saccadée, et difficile à contrôler. Il devient impossible de parler.
Test de terrain pour le seuil 2
Réalisez un test chronométré de 30 min à un effort maximal régulier. Le test de terrain est utile car il reflète votre niveau de forme et peut être réalisé dans des conditions similaires à vos objectifs (route, piste, trail…).
VO2max : Définition et importance
L’épreuve d’effort avec mesure des échanges de gaz est un examen qui permet d’évaluer l’aptitude aérobie d’un sportif. Le volume d’oxygène consommé est le VO2 à un moment donné. Au maximum de l’exercice aérobie (énergie produite par combustion avec consommation d’oxygène), c’est le VO2max. Chez l’adulte, l’amélioration du V02max par l’entrainement est modérée (15 à 20%). Il est par contre possible d’améliorer la capacité à utiliser un important pourcentage du VO2max pour effectuer un exercice (aller plus vite pour un même VO2max) . C’est cette faculté d’utiliser le maximum de sa consommation d’oxygène pendant le temps le plus long qui conditionne les possibilités de performance pour les efforts d’endurance. Il n’y a pas obligatoirement e corrélation entre le VO2max et la performance chez le sportif (contrairement au sujet sédentaire). Ce qui est important chez le sportif, c’est de mesurer l’économie de course, le pourcentage de VO2max au seuil et de caractériser la balance glucico-lipidique à l’effort.La consommation d’oxygène augmente avec l’intensité de l’effort, pour finir par se stabiliser « en plateau » à partir d’une certaine intensité (plafonnement des possibilités d’adaptation du sportif à l’effort demandé).
Lactate : production, utilisation et seuils
D’un point de vue pratique, on fixe les seuil « lactiques » à 2 et 4 mmol de lactate par litre de sang mais ce sont des valeurs statistiques à individualiser. Par exemple, le SL2 évolue le plus souvent entre 3 et 5 mmol/L. Et puisque le lactate est métabolisé en permanence, sa mesure pendant ou après un effort est seulement la quantité qui n’a pas pu être utilisée comme une source énergétique. Ainsi, le taux de lactate mesuré nous renseigne davantage sur son niveau de métabolisation que sur l’intensité de l’effort réalisé ! Si pour un même taux de lactate, l’athlète est capable de produire un effort de même durée et d’intensité plus élevée, c’est qu’il a progressé. Le plus intéressant pour l’entraînement est donc de déterminer l’intensité maximale à laquelle la production et l’oxydation du lactate s’équilibrent. Cet équilibre physiologique a un nom : le MLSS pour Maximal Lactate Steady State (état maximal stable du lactate).
Seuil ventilatoire
Lors d’un exercice incrémental, les besoins du muscle en O2 augmentent. L’augmentation de la fourniture en oxygène débute par une augmentation de la ventilation, et donc du débit ventilatoire. Pour autant, la ventilation n’est pas régulée directement par les besoins en O2, mais plutôt par la production de CO2 et par le pH de l’organisme. La ventilation pulmonaire augmente tout d’abord proportionnellement à l’intensité, puis la courbe va présenter 2 points d’inflexions (ou cassures), appelés seuils ventilatoires. Sur la représentation schématique ci-après, on observe bien les 2 points d’inflexions dans le débit ventilatoire correspondant aux seuils 1 et 2. Le premier seuil (SV1) est appelé le seuil d’adaptation ventilatoire. Il se situe chez les athlètes entraînés entre 55 et 70% de la consommation maximale d’oxygène. Il est surtout dû à l’augmentation de la concentration de lactate dans le plasma et à la libération concomitante d’ions H+. Pour éviter l’acidification du sang, un système tampon se met en place via les ions hydrogénocarbonates (HCO3-). L’association chimique (H+ + HCO3-)donne de l’acide carbonique qui se dissocie ensuite en eau (H20) et en CO2. Le deuxième seuil (SV2) est appelé le seuil d’inadaptation ventilatoire. C’est le fameux et faussement nommé seuil anaérobie, appelé également seuil d’accumulation du lactate. Le SV2 correspond à une nouvelle augmentation du lactate. Le système tampon est saturé et les ions H+ s’accumulent dans le compartiment sanguin.
Mesurer les seuils ventilatoires
En laboratoire, hors lactate, les SV1 et SV2 se déterminent par la mesure continue et simultanée du débit ventilatoire, de la consommation d’oxygène et du rejet du dioxyde de carbone, lors d’une épreuve maximale triangulaire (= progressive). Cela permet de calculer les équivalents respiratoires en O2 (VE/VO2) et en CO2 (VE/VCO2). En laboratoire, le logiciel associé à l’analyseur des échanges gazeux respiratoires calcule automatiquement les seuils. Le problème est que la courbe du débit ventilatoire ne présente pas toujours de cassures nettes. Dans ce cas, la détermination des seuils est faussée, et on peut même affirmer qu’il n’y pas de seuils.
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