Summary
Le présent protocole décrit l’entraînement et les tests de résistance à l’aide d’échelles statiques et dynamiques dans des modèles animaux.
Abstract
L’entraînement en résistance est un modèle d’exercice physique avec des avantages profonds pour la santé tout au long de la vie. L’utilisation de modèles animaux d’exercices de résistance est un moyen de mieux comprendre les mécanismes moléculaires sous-jacents qui orchestrent ces adaptations. Le but de cet article est de décrire des modèles d’exercice et des protocoles d’entraînement conçus pour l’entraînement en force et l’évaluation de la résistance dans des modèles animaux et de fournir des exemples. Dans cet article, l’entraînement en force et l’évaluation de la résistance sont basés sur l’activité d’escalade d’échelle, en utilisant des échelles statiques et dynamiques. Ces dispositifs permettent une variété de modèles d’entraînement et fournissent un contrôle précis des principales variables qui déterminent l’exercice de résistance: volume, charge, vitesse et fréquence. De plus, contrairement à l’exercice de résistance chez l’homme, il s’agit d’un exercice forcé. Ainsi, les stimuli aversifs doivent être évités dans cette intervention pour préserver le bien-être animal. Avant la mise en œuvre, une conception détaillée est nécessaire, ainsi qu’une période d’acclimatation et d’apprentissage. L’acclimatation aux dispositifs d’entraînement, tels que les échelles, les poids et le ruban clinique, ainsi qu’aux manipulations requises, est nécessaire pour éviter le rejet de l’exercice et minimiser le stress. Dans le même temps, les animaux apprennent à monter l’échelle, et non à descendre, jusqu’à la zone de repos au sommet de l’échelle. L’évaluation de la résistance peut caractériser la force physique et permettre d’ajuster et de quantifier la charge d’entraînement et la réponse à l’entraînement. En outre, différents types de résistance peuvent être évalués. En ce qui concerne les programmes d’entraînement, avec une conception et une utilisation appropriées de l’appareil, ils peuvent être suffisamment polyvalents pour moduler différents types de force. En outre, ils doivent être suffisamment flexibles pour être modifiés en fonction de la réponse adaptative et comportementale des animaux ou de la présence de blessures. En conclusion, l’entraînement en résistance et l’évaluation à l’aide d’échelles et de poids sont des méthodes polyvalentes dans la recherche animale.
Introduction
L’exercice physique est un facteur déterminant du mode de vie pour promouvoir la santé et réduire l’incidence des maladies chroniques les plus répandues ainsi que de certains types de cancer chez les humains1.
L’exercice de résistance a suscité l’intérêt en raison de sa pertinence écrasante pour la santé tout au long de la vie2, en particulier en raison de ses avantages dans la lutte contre les maladies liées à l’âge qui affectent le système locomoteur, telles que la sarcopénie, l’ostéoporose, etc.3. De plus, l’exercice de résistance affecte également les tissus et les organes qui ne sont pas directement impliqués dans l’exécution du mouvement, tels que le cerveau4. Cette pertinence au cours des dernières années a encouragé le développement de modèles d’exercices de résistance chez les animaux pour étudier les mécanismes tissulaires et moléculaires sous-jacents, lorsque cela n’est pas possible chez l’homme ou lorsque les animaux fournissent une meilleure compréhension et constituent un modèle plus contrôlé.
Contrairement à l’exercice de résistance chez l’homme, pour les modèles animaux, les chercheurs s’appuient généralement sur des procédures forcées. Cependant, les stimuli aversifs doivent être évités dans ce contexte, principalement pour préserver le bien-être animal, réduire le stress et diminuer la sévérité des procédures expérimentales5. Il convient de noter que les animaux aiment faire de l’exercice même dans la nature6. Pour ces raisons, il est nécessaire d’améliorer l’adaptation à l’expérience par une acclimatation prolongée par étapes.
Les dispositifs, matériaux et protocoles utilisés pour l’entraînement et l’évaluation de la résistance chez les animaux de laboratoire doivent permettre le contrôle précis et la modulation de nombreuses variables : charge, volume, vitesse et fréquence7. Ils doivent également permettre d’effectuer différents types de contractions musculaires: concentriques, excentriques ou isométriques. Compte tenu de ce qui précède, les protocoles utilisés devraient être en mesure d’évaluer ou de s’entraîner spécifiquement pour différentes applications de la force: force maximale, hypertrophie, vitesse et endurance.
Il existe plusieurs méthodes de musculation, telles que le saut dans l’eau8,9, la natation lestée dans l’eau 10 ou l’électrostimulation musculaire11. Cependant, les échelles statiques et dynamiques sont des dispositifs polyvalents qui sont largement utilisés12,13,14.
L’évaluation de la résistance dans des modèles animaux expérimentaux fournit des informations précieuses pour de nombreux contextes de recherche, tels que la description des caractéristiques phénotypiques des animaux génétiquement modifiés, l’évaluation de l’effet de différents protocoles d’intervention (supplémentation en composants alimentaires, traitements médicamenteux, transplantation de microbiote, etc.) ou l’évaluation de l’effet des protocoles de formation. Les modèles d’entraînement donnent un aperçu de la physiologie de l’adaptation à l’exercice de force, ce qui aide à mieux comprendre l’effet de l’exercice sur l’état de santé et la physiopathologie.
Par conséquent, il n’existe pas de protocole universel pour l’entraînement en résistance ou l’évaluation fonctionnelle de la force dans les modèles animaux, de sorte que des protocoles polyvalents sont nécessaires.
L’objectif de cette étude est d’identifier les facteurs les plus pertinents à prendre en compte lors de la conception et de l’application d’un protocole d’entraînement et d’évaluation de la résistance à l’aide d’échelles statiques et dynamiques dans des modèles animaux, ainsi que de fournir des exemples spécifiques.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Les méthodes présentées dans ce protocole ont été évaluées et approuvées par le comité technique de recherche animale (référence PROAE 04/2018, Principado de Asturias, Espagne).
1. Planification
- Sélectionner soigneusement les animaux pour l’étude en fonction des caractéristiques d’intérêt (génétiquement modifiés, modèles pathologiques, âge, etc.) et appliquer des adaptations spécifiques au protocole (escalade sans poids, réduction du nombre d’échelons à gravir et inclinaison).
- Identifier la modalité de force à évaluer ou à entraîner : force maximale, endurance-résistance, vitesse, etc. en fonction des objectifs de l’étude.
- Ajustez soigneusement les paramètres lorsque l’évaluation fonctionnelle ou la formation est encadrée, en considérant si elle se concentre sur les résultats de ces tests ou s’ils sont complémentaires à d’autres types de déterminations cliniques, fonctionnelles, histologiques ou moléculaires.
- Planifiez toutes les questions liées à la formation, en particulier l’horaire, la durée de la période de formation et la fréquence des sessions, et dessinez un tableau de formation.
- Précisez les étapes d’échauffement et l’inclinaison de l’échelle, qui seront les mêmes tout au long de l’entraînement. Spécifiez les séries, les répétitions, la charge (en fonction des résultats des tests de résistance effectués avant la période d’entraînement) et reposez-vous entre les deux, en prêtant attention aux augmentations de charge en fonction de la session précédente.
- Modifier le plan, comme pour l’entraînement humain, en fonction du bien-être de l’animal. Les modifications comprennent la diminution des répétitions, l’augmentation du temps de repos entre les séries ou les répétitions et la diminution de la charge pour éviter le surentraînement et les blessures.
- Une fois terminé, soumettre le plan pour évaluation et approbation par le comité de recherche en éthique animale.
2. Dispositifs et matériaux pour l’exercice de résistance
- Dispositifs: échelles statiques et dynamiques
REMARQUE : Deux types d’échelles, appelées échelles statiques et dynamiques (voir la figure 1), peuvent être utilisées pour l’entraînement et l’évaluation de la résistance (voir le tableau des matériaux).- Utilisez une échelle verticale avec au moins 30 marches en fil d’acier de 1,5 mm de diamètre, séparées de 15 mm, et une aire de repos d’au moins 20 x 20 cm sur le dessus de l’échelle. La pente de l’échelle doit être réglable de 80° à 110° avec le plan horizontal (figure 1C). Délimitez deux voies pour éviter l’escalade non linéaire.
- Utilisez une échelle dynamique semblable à l’échelle statique, avec une barrière de filament en plastique au sommet, qui peut être ouverte pour contrôler l’accès à l’aire de repos, et une barrière de filament en plastique en bas, pour empêcher les animaux de descendre. L’angle d’inclinaison de l’échelle doit être réglable entre 80° et 100°, le plus courant étant 85°.
NOTE: L’échelle peut circuler au moyen d’un arbre supérieur et d’un arbre inférieur d’un diamètre de 8 cm. L’arbre inférieur est entraîné par un moteur électrique qui fait descendre les marches à l’avant et monter à l’arrière, créant une échelle sans fin. Il est équipé d’un réducteur et d’un régulateur de vitesse pour abaisser la vitesse de 11,6 cm/s à 3,3 cm/s, et la vitesse la plus courante est de 5,6 cm/s.
Figure 1 : Dispositifs de musculation : échelles statiques et dynamiques. (A) Entraînement de souris avec poids externe sur une échelle statique. (B) Deux souris s’entraînant avec du poids sur une échelle dynamique. (C) Représentation schématique des angles d’échelle pour la formation et l’évaluation. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
- Matériaux
- Préparez les matériaux suivants : poids, fil pour maintenir les poids, pince à gators en acier et ruban adhésif clinique.
NOTE: Les poids sont des cylindres en acier de masse différente (5, 10, 15, 20, 25 et 50 g), avec un trou de 5 mm de diamètre au centre pour les enfiler sur un fil (Table des matériaux). Le fil pour contenir les poids est en acier d’un diamètre de 1 à 1,5 mm et d’une longueur de 5 à 10 cm, en fonction du nombre de poids à charger. - Coupez un morceau de bandage adhésif élastique (tableau des matériaux) d’environ 3,0-3,5 cm x 1,0-1,5 cm et attachez-le autour de la queue de l’animal pour maintenir les poids. Assurez-vous de ne pas trop serrer car cela pourrait entraîner une restriction du flux sanguin.
REMARQUE: Au début, le comportement des animaux sera de lutter contre le ruban adhésif et de le mordre, mais après quelques jours, ils le toléreront, se toilettant comme d’habitude et ne montrant aucun signe de stress. - Insérez les poids souhaités dans le fil et accrochez le clip gator (Tableau des matériaux: Clip gator en acier et fil pour maintenir les poids).
- Attachez le gator au ruban clinique attaché à la queue de l’animal.
- Immédiatement après avoir gravi les barreaux requis, retirez la pince et laissez l’animal se reposer avec le ruban clinique sur la queue, mais sans poids (figure 1).
- Préparez les matériaux suivants : poids, fil pour maintenir les poids, pince à gators en acier et ruban adhésif clinique.
3. Acclimatation
REMARQUE: Une bonne acclimatation est essentielle pour éviter le rejet de l’exercice et minimiser le stress. L’acclimatation est une étape cruciale avant la réalisation de tests d’évaluation de la résistance ou de protocoles d’entraînement. Un temps suffisant doit être consacré à l’obtention de signes comportementaux de confort chez les animaux. Les détails de l’acclimatation quotidienne avec les échelles statique et dynamique sont présentés dans les tableaux 1 et 2, respectivement.
- Habituez les animaux à rester dans l’aire de repos au sommet de l’échelle (statique ou dynamique). Laissez les animaux dans cet endroit par groupes de quatre, avec la litière de leur cage, pendant 15 minutes chaque jour. Habituellement, après 3-5 jours, les animaux ne montreront aucun signe de stress.
- Apprenez aux animaux à grimper, et non à descendre, l’échelle. À l’aide de l’échelle statique, placez les souris sur un barreau près du sommet, d’où elles peuvent voir l’aire de repos. Ils y iront instinctivement. Ensuite, apprenez-leur à monter progressivement de cinq échelons (3x) le premier jour, à 10 échelons (3x) le lendemain, jusqu’à 15 échelons (3x) (tableau 1).
Utilisez la même procédure avec l’échelle dynamique, d’abord sans mouvement, puis avec l’échelle se déplaçant à 5,4 cm/s et 6,6 cm/s et les animaux grimpant pendant 2 min, complétant cinq séries (tableau 2). - Adaptez les animaux pour porter des poids, à partir du troisième jour d’acclimatation. Collez un morceau de ruban adhésif clinique à la base de la queue qui sera utilisé pour maintenir les poids.
- À partir du septième jour d’acclimatation, attachez de petits poids (5-10 g) à la bande clinique avec un clip gator. Évitez de faire trop de séries, afin que l’adaptation ne se transforme pas en entraînement.
NOTE: L’acclimatation du groupe témoin est obligatoire dans le cas où ce groupe effectue l’essai de résistance. Après cette période, effectuez un rappel d’escalade une fois par semaine, avec du ruban adhésif mais sans poids.
4. Évaluation de la résistance
- Tests incrémentiels pour évaluer la résistance maximale
NOTE: Cet essai vise à déterminer la résistance maximale mesurée comme le poids maximal auquel les animaux peuvent monter 10 échelons sur l’échelle statique, qui définit le maximum de 10 répétitions (10 RM)4. Ce protocole a été adapté d’études antérieures (examinées dans Kregel et coll.15).- Pour l’échauffement, effectuez trois séries de 10 répétitions, 10 étapes / répétition, sans charge externe. Pour la première série, fixez la pente à 90°, puis à 85°. Prévoir une période de repos de 60 s entre les séries.
- Réglez la pente à 85° (pour éviter que les poids ne frôlent ou ne s’accrochent aux barreaux de l’échelle).
- Attachez le ruban autour de la queue de l’animal pour maintenir les poids et préparer les poids comme expliqué précédemment.
- Commencez le test avec une charge externe de 10 g et effectuez une série de 10 étapes.
- Enlevez le poids et prévoyez une période de repos de 120 s dans l’aire de repos.
- Effectuer des séries successives de 10 étapes en augmentant la charge externe de 5 g jusqu’à épuisement. Laisser reposer la période (120 s) entre les séries.
- Si un animal ne parvient pas à monter 10 marches avec une charge de poids particulière, permettre une autre tentative avec la même charge après 120 s de repos. S’il réussit à monter avec la charge, il continue le test avec la charge suivante. S’il échoue à nouveau, enregistrez la charge de poids de la dernière série terminée comme sa charge de poids maximale.
- Le résultat de l’essai peut être exprimé en poids externe absolu (g), en charge maximale par rapport au poids corporel (%), ou en masse soulevée par gramme de poids corporel, à la discrétion du chercheur.
NOTE: Le protocole précédent représente un modèle sur lequel de nombreuses modifications sont possibles par exemple, pour évaluer la résistance maximale de souris génétiquement modifiées présentant des handicaps neuromusculaires. Ces animaux ne sont pas capables de grimper avec des charges externes et ont des difficultés à monter 10 échelons avec l’échelle fixée à 90° de pente (données non publiées). Le protocole consistait à monter cinq marches sans charge externe, en commençant par une pente de 110°. La pente a diminué de 5° dans chaque série jusqu’à 85° avec 120 s de repos après chaque série. Dans ce cas, la résistance maximale a été exprimée comme le nombre cumulé de marches gravies (sans tenir compte des répétitions après les échecs). Le groupe témoin de type sauvage, après avoir atteint la pente de 85°, poursuivra l’essai en ajoutant un poids externe à la queue, conformément au protocole précédent, jusqu’à épuisement.
- Test d’endurance-résistance maximale avec l’échelle statique
- Pour l’échauffement, effectuez trois séries de 10 répétitions, 10 étapes / répétition, sans charge externe. Pour la première série, réglez la pente à 90°, puis à 85°. Prévoir une période de repos de 60 s entre les séries.
- Réglez la pente à 85°.
- Attachez le poids sur le ruban clinique placé autour de la queue de la souris.
REMARQUE : Selon l’âge et les caractéristiques des animaux, la charge externe peut être le poids maximal obtenu lors d’un essai élémentaire précédent, un pourcentage de celui-ci (p. ex., 50 %) ou un pourcentage du poids corporel (p. ex., 100 %-200 %). Si ce test est effectué après une période de formation, il est recommandé d’utiliser la même charge que lors du test initial pour évaluer les changements. - Effectuez des séries consécutives de 10 étapes jusqu’à épuisement. Aucun temps de repos n’est autorisé après chaque série.
- Le résultat du test est le nombre d’échelons montés.
- Test d’endurance-résistance maximale avec l’échelle dynamique
NOTE: L’utilisation de l’échelle dynamique permet au chercheur de contrôler la vitesse de montée.- Réglez la pente à 85°.
- Réglez la vitesse à 4,2 cm/s.
- Pour l’échauffement, effectuez trois séries de 100 étapes, sans charge externe. Prévoir une période de repos de 60 s entre les séries.
- Attachez le poids sur le ruban clinique placé autour de la queue de la souris.
REMARQUE : Selon l’âge et les caractéristiques des animaux, la charge externe peut être le poids maximal obtenu lors d’un essai élémentaire précédent, un pourcentage de celui-ci (p. ex., 50 %) ou un pourcentage du poids corporel (p. ex., 100 %-200 %). Si ce test est effectué après une période de formation, il est recommandé d’utiliser la même charge que lors du test initial pour évaluer les changements. - Commencez à 4,2 cm/s et augmentez la vitesse de 1,2 cm/s toutes les 60 s jusqu’à épuisement.
REMARQUE: Le résultat du test est le temps d’exercice, le nombre de barreaux montés ou la vitesse maximale.
5. Entraînement en résistance avec échelle statique
REMARQUE : Avant de commencer la période de formation, l’acclimatation (tableau 1) et la planification de la formation sont nécessaires. Pour réduire l’anxiété, adaptez et entraînez les souris en groupes de quatre animaux partageant la même cage.
- Pour l’échauffement quotidien, effectuez trois séries de 10 répétitions, 10 pas / répétition, sans charge externe. Pour la première série, fixez la pente à 90°, puis à 85°. Prévoir une période de repos de 60 s entre les séries.
- La séance d’entraînement commence dans la zone de repos. Clipser le gator avec le poids sur la bande clinique.
- Placez doucement la souris 10-20 barreaux sous le lieu de repos. Laissez la souris saisir l’échelon et grimper jusqu’à la zone de repos.
Répétez ce processus jusqu’à ce que le nombre d’échelons de cette série (p. ex., 10 échelons x 10 séries) soit terminé. - Retirez le poids de la queue de souris et attendez 120 s jusqu’à la prochaine série.
- Augmenter le nombre de pas et les charges de poids maximales de la série tout au long de la période d’entraînement, tout en maintenant l’horaire hebdomadaire.
REMARQUE : Un exemple de la variation des charges au cours d’une planification hebdomadaire est présenté dans le tableau 3. Bientôt, mardi et vendredi avec une charge de poids élevée (40-50 g) et un faible nombre de pas (500-400); lundi et jeudi avec une charge de poids intermédiaire (25-35 g) et un nombre intermédiaire de pas (800-600); et mercredi sans charge de poids mais un nombre élevé de pas (2 000). Cette conception facilite la récupération après les séances d’entraînement précédentes et évite les blessures et le surentraînement. Des exemples de 3 semaines de formation avec plusieurs conceptions utilisant l’échelle statique sont présentés dans le tableau 4 (au début, au milieu et à la fin de la période de formation, respectivement)4.
6. Entraînement en résistance avec échelle dynamique
NOTE: Après l’acclimatation, l’entraînement sur l’échelle dynamique est tout à fait similaire à l’échelle statique (tableau 2). L’entraînement est effectué sur 2-4 souris à la fois.
- Réglez la pente à 85°, fermez la porte de l’aire de repos et démarrez l’échelle à la vitesse souhaitée (par exemple, 5,4 cm/s).
- Pour l’échauffement, effectuez trois séries de 100 étapes, sans charge externe. Prévoir une période de repos de 60 s entre les séries.
- Avant le début des séances d’entraînement, lorsque la souris est dans la zone de repos, clipsez le gator avec le poids sur la bande clinique. Alternativement, le poids peut être attaché lorsque la souris est déjà sur l’échelle.
- Placez doucement la souris en haut de l’escalier mobile avec le poids sur la queue. Laissez les souris saisir l’échelon et grimper.
- Lorsque le nombre d’échelons de cette série est atteint (p. ex., 100), retirez les poids. Ensuite, la porte est ouverte pour que l’animal puisse aller à l’aire de repos. Le temps de repos est de 120 s avant la série suivante.
NOTE: Le nombre de marches montées est compté en fonction du temps de montée à la vitesse définie. - Répétez cette procédure jusqu’à ce que la séance de formation soit terminée. Le programme d’entraînement quotidien détaillé est présenté au tableau 5.
7. Évaluation de l’effet croisé de l’entraînement en résistance sur les performances d’endurance
NOTE: Pour cela, un test incrémental sur tapis roulant est effectué4, après 24 h de repos.
- Après un échauffement de 3 min à 10 cm/s, commencer l’essai incrémental à 10 cm/s et à un angle d’inclinaison de 10°.
- Augmentez la vitesse de 3,33 cm/s toutes les 3 minutes jusqu’à épuisement.
REMARQUE: Aucun choc électrique n’est utilisé, donc un pinceau de peintre est placé à l’arrière du tapis roulant pour empêcher les souris de s’en échapper.
8. Comportement des animaux pendant les procédures
REMARQUE : Une surveillance continue de l’adaptation des souris à l’entraînement doit être effectuée pour détecter une fatigue extrême, un surentraînement ou une blessure.
- Observez les signes de bien-être animal, en particulier le toilettage et le refus de formation. Le comportement normal de la souris, après une série d’entraînement intense, est de rester inactif pendant environ une minute en raison de la fatigue. Après cela, ils commencent à toiletter, à explorer ou à essayer d’enlever le ruban adhésif sur la queue.
- Dans le cas d’une souris refusant d’entraîner une série, essayez de donner des repos plus longs ou même de ne pas effectuer cette série pour éviter l’inhibition.
- De temps en temps, lorsque vous effectuez des exercices légers, poussez doucement la queue de l’animal pour l’encourager à terminer la série. Les animaux arrêtent de grimper parce que ce n’est pas une tâche exigeante. Inversement, lorsque les animaux portent une lourde charge, déplacez doucement le poids de l’animal pour alléger la charge et l’encourager à terminer la série, puis laissez l’animal se reposer jusqu’à la prochaine séance d’entraînement. Les animaux peuvent s’arrêter ou même tenter de descendre à cause de la lourde charge.
9. Procédures de sécurité
- Procédures de sécurité pour les chercheurs : Mener des recherches dans le laboratoire de l’animalerie et utiliser des couvre-chaussures, des combinaisons, des gants, des casquettes et des masques. Il n’y a pas d’exigences supplémentaires autres que celles spécifiques à la recherche animale.
- Sécurité pour les animaux: Pendant les séances d’exercice, une attention continue doit être accordée aux animaux, en raison des risques potentiels, tels que les chutes ou les sauts. Placez une main sous les poids pour attraper et tenir les souris en cas de chute due à l’épuisement, car sa capacité à tenir correctement les barreaux sera limitée.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Résultats avec échelle statique
Le protocole d’entraînement en résistance progressive utilisé et décrit par Codina-Martinez et al.4 (tableau 4) a été testé dans une étude préliminaire consistant en 7 semaines d’entraînement sur une échelle statique avec des souris C57BL6J de type sauvage âgées de 6 mois (n = 4). Dans cette étude préliminaire, des tests incrémentiels pour évaluer la force maximale ont été effectués avant et après la période d’entraînement. Nous avons observé une augmentation de 46,4% de la force maximale, ce qui signifie qu’à la fin de la période d’entraînement, ils ont pu grimper avec 1,9 fois leur poids corporel (données non publiées).
Dans l’étude de Codina-Martínez et coll.4, des souris mâles (C57BL6N/129Sv) déficientes en Atg4b 16 et leurs témoins de type sauvage correspondants (8 semaines, n = 36 par génotype) ont été entraînés pendant 14 semaines (tableau 4). Des tests incrémentiels pour évaluer la résistance maximale, avant et après la période d’entraînement, ont montré une variation en pourcentage de 44% chez les animaux de type sauvage entraînés et de 15,3% chez les souris atg4b-/-.
Dans une autre étude, des souris C57BL6N âgées de 8 semaines ont été entraînées pendant 4 semaines, 5 jours / semaine (n = 8) (données non publiées). Toutes les séances ont été conçues pour atteindre le même volume d’exercice grâce à une combinaison du nombre de pas montés (ou de la distance contre la gravité) et de la charge de poids17 et étaient basées sur les résultats obtenus lors d’un test de force maximale avant la période d’entraînement. Le nombre de pas par séance d’entraînement variait entre 400 et 2 000 en fonction de la charge de poids maximale, qui variait entre 25 et 65% de la charge de poids maximale au test de pré-entraînement. Nous avons sélectionné ces gammes de poids maximum parce qu’il a été décrit qu’en dessous de 75% du poids maximal, il n’y a pas de perte de vitesse pour monter 1 RM, ce qui est important pour normaliser l’intensité des efforts sous-maximaux18. Encore une fois, avant et après la période d’entraînement, des tests progressifs ont été effectués pour évaluer la force maximale. Le pourcentage moyen de variation de ce paramètre était de 40 %. La force maximale a été atteinte par une souris de 27 g, qui a pu monter 10 RM avec 120 g après la période d’entraînement.
Résultats avec échelle dynamique
Pour évaluer l’échelle dynamique en tant qu’outil d’entraînement en résistance, nous avons mené une expérience dans le but d’évaluer l’effet de deux types d’entraînement en force: l’entraînement d’endurance-résistance et l’entraînement en force. La conception et les résultats de cette étude sont présentés ici pour la première fois. Les souris C57BL6N âgées de 8 semaines ont été divisées en trois groupes: contrôle non entraîné (C, n = 5), endurance-résistance (E-R, n = 8) et force (S, n = 7). Après une période d’acclimatation de 3 semaines (12 séances) (tableau 2), les souris ont été entraînées pendant 6 semaines, 5 jours par semaine (du lundi au vendredi), à partir de 9h00, pour un total de 22 séances. Pour réduire l’anxiété, les souris ont été entraînées en groupes de quatre animaux partageant la même cage. Les stimuli aversifs ont été évités pour minimiser le stress. Le groupe E-R a effectué trois fois plus de répétitions avec 1/3 de la charge de poids par rapport au groupe S, de sorte qu’ils ont tous effectué le même travail accumulé, avec différentes combinaisons de charge et de répétitions. La vitesse était constante pour tous les groupes, fixée à 5,4 cm/s. La pente a été fixée à 85°.
La normalité des variables a été testée à l’aide du test de Shapiro-Wilk. Les résultats sont présentés sous forme d’écart type moyen ± (ET). Le test t et l’ANOVA (Bonferroni post-hoc) ont été utilisés pour les différences statistiques. Des changements significatifs ont été fixés à p < 0,05. Le logiciel statistique R (www.r-project.org) a été utilisé pour toutes les analyses statistiques.
Tous les animaux inclus dans le groupe formé et le groupe témoin ont terminé l’étude. L’apport alimentaire quotidien moyen par souris était de 2,8 ± 0,11 g pour C, 3,2 ± 0,24 g pour E-R et 3,3 ± 0,13 g pour S. Les souris exerçant de l’exercice avaient un apport alimentaire plus élevé que les souris témoins (p < 0,05). Cependant, il n’y avait pas de différence de poids corporel après l’intervention (C: 28,0 ± 3,18 g, E-R: 28,5 ± 1,93 et S: 28,1 ± 2,52 g).
L’augmentation significative de la force maximale après la période d’entraînement a été observée dans les groupes S (29,5 ±1 0,9%) et E-R (augmentation de 41,5 ± 2,5%), tandis qu’une augmentation non significative a été observée pour C (20,0 ± 4,0%) (Figure 2). La résistance à l’endurance mesurée à la fin de la période d’entraînement (Figure 3) était significativement plus élevée dans le groupe E-R que dans les groupes S (122,5 vs 26,9 échelons, p = 0,005) et C (122,5 vs 18,8 échelons, p = 0,013).
L’effet d’entraînement croisé de ces modèles et l’effet de l’entraînement en force sur l’endurance ont également été étudiés. À cette fin, tous les animaux ont effectué des tests d’endurance maximale incrémentielle sur un tapis roulant avant et après la période d’entraînement, selon les protocoles décrits précédemment19. Une perte significative d’endurance a été observée dans C (Pré: 1219 ± 133 s vs Post: 982 ± 149 s, p = 0,004), tandis qu’aucun changement significatif n’a été observé pour S (Pré: 1364 ± 285 s vs Post: 1225 ± 94 s, p = 0,253) et E-R (Pré: 1139 ± 96 s vs Post: 1185 ± 84 s, p = 0,164).
Figure 2: Force maximale mesurée à l’aide d’un test incrémental, avant et après une période d’entraînement en résistance de 6 semaines sur une échelle dynamique suivant deux modèles d’entraînement: Force et Endurance-Résistance. Légende: * p < 0,05; ** p < 0,01. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 3: Endurance-résistance maximale mesurée à l’aide d’un test d’endurance-résistance maximale, avant et après une période d’entraînement de résistance de 6 semaines sur une échelle dynamique, suivant deux modèles d’entraînement: Force et Endurance-Résistance. Légende : C : Contrôle; S : Force et E-R : Endurance-Résistance. * p < 0,05. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Tableau 1 : Exemple de protocole d’acclimatation de 10 jours avec une échelle statique et des souris de type sauvage. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.
Tableau 2 : Exemple de protocole d’acclimatation de 14 jours avec une échelle dynamique et des souris de type sauvage. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.
Tableau 3 : Exemple d’une semaine de formation avec une échelle statique. Légende: Rep: répétitions, Étapes: nombre d’échelons montés, Pente: angle avec le plan horizontal et charge: poids (g) attaché à la queue. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.
Tableau 4 : Exemple de trois semaines de formation avec une échelle statique dans le cadre d’une période de formation de 14 semaines. Étiqueté comme faible (sessions 1-4), moyenne (10-14) et élevée (30-34). Légende: Rep: répétitions, Étapes: nombre d’échelons montés, Pente: angle avec le plan horizontal et charge: poids (g) attaché à la queue. Ce tableau est adapté de Codina-Martinez et al. 20204. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.
Tableau 5 : Exemple d’entraînement avec une échelle dynamique. Programme de deux groupes d’endurance-résistance et de musculation. Légende : L’échauffement est commun aux deux groupes. La pente est fixée à 85°. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
La formation est une intervention aux multiples applications en recherche, en dehors de l’étude de l’exercice lui-même. Ainsi, l’analyse de son effet sur le vieillissement20 ou certaines conditions pathologiques et la physiothérapie21 a reçu beaucoup d’attention ces dernières années. De plus, de nombreux auteurs ont analysé l’effet des interventions pharmacologiques22 ou diététiques21 sur la condition physique. Dans ce contexte, l’analyse séparée des différentes modalités d’exercice a suscité de l’intérêt, avec un intérêt émergent pour l’exercice de résistance. L’exercice de résistance provoque une réponse moléculaire différente à l’endurance dans de nombreux tissus 23,24 et il a également été démontré qu’il avait un effet spécifique sur un certain nombre de conditions pathologiques21.
L’utilisation de modèles animaux pour l’étude de l’exercice de résistance est un outil aux applications multiples. Il permet la caractérisation d’un phénotype spécifique dans des modèles de pathologies ou d’animaux génétiquement modifiés, bien que cette description ne soit généralement pas incluse. De plus, la mise en œuvre de protocoles d’exercices et l’évaluation de leur impact sur ces modèles permettent de mieux comprendre la physiologie ou la physiopathologie de ces conditions25.
Certains auteurs ont déjà effectué un entraînement en résistance avec des rats 12,13 et des souris 4,14, en utilisant différents modèles d’entraînement. Certains auteurs ont appliqué des protocoles de contraction musculaire isométrique pour entraîner et évaluer la force26. Le saut en surcharge dans l’eau et la natation lestée ont également été appliqués 9,10. Une stimulation nerveuse réalisée sous anesthésie11 et combinant un entraînement en résistance avec des interventions chirurgicales pour provoquer une surcharge musculaire biomécanique et une hypertrophie musculaire27 ont également été effectuées.
Cependant, certaines des interventions visant à améliorer la résistance présentent certaines faiblesses. Il a été démontré que l’exercice forcé avec des chocs électriques interfère avec les résultats expérimentaux28. Certaines procédures sont stressantes car elles reposent sur la nage forcée pour empêcher l’animal de se noyer 9,10. La stimulation nerveuse n’est pas une contraction musculaire volontaire et est réalisée sous anesthésie11. L’approche la plus simple de l’entraînement et de l’évaluation de la résistance est celle des procédures non invasives utilisant des contractions musculaires concentriques / excentriques.
Bien que les dispositifs les plus courants pour appliquer ces protocoles soient des échelles statiques sur lesquelles les animaux grimpent avec des poids externes, l’exercice de résistance pourrait également être effectué à l’aide de dispositifs dynamiques. À cet égard, Konhilas et al.29 ont utilisé des roues lestées. Cependant, cette approche ressemble plus à un exercice d’endurance de haute intensité, donc la spécificité serait perdue. Dans cet article, nous montrons, pour la première fois, des protocoles d’entraînement et d’évaluation de la résistance à l’aide d’une échelle dynamique, ce qui permet des approches très polyvalentes. Les résultats de leur mise en œuvre sont également inclus. De plus, l’utilisation d’une échelle dynamique signifie moins de manipulation des animaux, car ils peuvent grimper avec du poids en continu, sans avoir besoin de monter une série de marches comme avec une échelle statique.
L’évaluation de la force des forces maximales peut être effectuée à l’aide de la force de préhension30 et du couple généré par la stimulation nerveuse directe31. L’évaluation de la force à l’aide des échelles est utile pour la planification de l’entraînement ultérieur. L’échelle dynamique permet également d’effectuer des essais de limite de temps, en évaluant le nombre de pas en fonction de la charge. Cette procédure est équivalente au nombre maximal de tests de répétition de poids effectués chez l’homme7.
De plus, en ce qui concerne les méthodes de formation et d’évaluation, dans cet article, nous soulignons l’acclimatation comme facteur clé pour éviter le refus de formation sur les échelles statiques et dynamiques. Cette acclimatation n’est pas obtenue par la récompense alimentaire, comme décrit dans Yarsheski et al.13, mais en apprenant aux souris à atteindre les aires de repos au sommet des échelles, afin qu’elles soient motivées à grimper, sans avoir besoin de restrictions alimentaires. Notre objectif a été de réaliser un exercice animal humanisé, comme suggéré par Seo et al.32. À cet égard, il convient également de noter que, conformément à ce protocole, les souris sont entraînées en groupes tout en maintenant l’interaction sociale. Dans les protocoles présentés dans cet article, le refus d’entraînement des animaux était inexistant dans les échelles statiques et dynamiques. Cela pourrait être dû au protocole d’adaptation.
Nos résultats montrent que différents protocoles avec différents modèles animaux étaient efficaces pour améliorer la force maximale. Ils étaient également suffisamment sensibles pour détecter les différences entre les animaux génétiquement modifiés présentant des altérations de la fonction musculaire et les animaux de type sauvage, à la fois en résistance maximale et en réponse à l’entraînement4. De plus, une comparaison des programmes d’entraînement avec l’échelle dynamique (force et endurance-résistance) a montré que tous les groupes de souris augmentaient leur force maximale, y compris C. Pour C, cela pourrait être dû au fait que les souris étaient jeunes au début de la période d’entraînement et qu’elles étaient encore en croissance. Malgré cela, l’amélioration dans les groupes S et E-R était beaucoup plus grande, ce qui est la preuve de l’effet de la formation. De plus, dans le test d’endurance post-entraînement, qui consistait à gravir autant de marches que possible avec le poids maximum obtenu dans le test incrémental avant l’entraînement, le groupe E-R était nettement supérieur aux groupes S et C. De plus, le test incrémental sur tapis roulant a montré qu’il n’y avait pas de diminution de l’endurance dans aucun des groupes entraînés, tandis qu’une diminution a été observée dans le groupe C. Ceci est cohérent avec l’effet d’entraînement croisé de l’entraînement en résistance sur l’endurance décrit précédemment33. Ces résultats suggèrent, d’une part, la spécificité des protocoles d’entraînement en résistance présentés dans cette étude pour augmenter les capacités de résistance et d’endurance. Dans le même temps, les deux modalités d’entraînement montrent un effet différent sur la condition physique34, probablement en raison d’un ensemble diversifié de mécanismes moléculaires déclenchés par chaque modèle d’entraînement, se chevauchant dans une certaine mesure23.
Bien que ces modèles d’entraînement aient affecté la résistance globale des groupes d’animaux impliqués, nous avons également observé une grande hétérogénéité tant dans la résistance initiale des individus que dans la réponse à l’entraînement (Figure 2 et Figure 3). Ce constat est conforme à ce qui a été décrit par d’autres auteurs35. Ceci doit être pris en compte lors de l’interprétation des résultats de l’intervention dans les différents paramètres à évaluer dans les échantillons obtenus de ces animaux.
Enfin, l’échelle statique convient également à l’entraînement excentrique. Il peut être effectué en descendant avec une charge quasi maximale ou supramaximale. La charge appliquée pour cette procédure doit être élevée (par exemple, 90 % à 100 % ou plus de la charge concentrique incrémentielle maximale d’essai). Lorsque les souris portent une charge presque maximale, elles essaient naturellement de descendre. Dans le cas d’un entraînement excentrique, il est nécessaire de permettre aux animaux de descendre plutôt que de monter pendant la période d’acclimatation. Pour cette raison, il n’est pas facile de combiner à la fois l’entraînement concentrique et excentrique chez la souris, et un seul modèle d’entraînement est réalisable à un moment donné.
La principale limite des protocoles présentés ici est que l’évaluation d’un certain type de résistance, telle que la résistance isométrique maximale, n’est pas possible, de sorte que d’autres dispositifs et protocoles, tels que la force de préhension, doivent être utilisés.
En conclusion, l’entraînement et l’évaluation de la résistance à l’aide d’échelles statiques et dynamiques sont une méthode réalisable dans la recherche animale, avec un large éventail de protocoles en fonction de l’objectif de l’étude.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
L’auteur correspondant s’assure que tous les auteurs n’ont pas de conflits d’intérêts.
Acknowledgments
Ce travail a été soutenu en partie par le Ministerio de Economía y Competitividad, Espagne (DEP2012-39262 à EI-G et DEP2015-69980-P à BF-G). Merci à Frank Mcleod Henderson Higgins du McLeod’s English Centre dans les Asturies, en Espagne, pour son aide linguistique.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Dynamic ladder | in-house production | ||
| Elastic adhesive bandage 6 cm x 2.5 m | BSN medical | 4005556 | |
| Gator Clip Steel NON-INSUL 10A | Digikey electronics | BC60ANP | |
| Static ladder | in-house production | ||
| Weights | in-house production | ||
| Wire for holding weigths | in-house production |
References
- Pedersen, B. K., Saltin, B. Exercise as medicine - evidence for prescribing exercise as therapy in 26 different chronic diseases. Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports. 25, Suppl 3 1-72 (2015).
- Westcott, W. L. Resistance training is medicine: effects of strength training on health. Current Sports Medicine Reports. 11 (4), 209-216 (2012).
- Garatachea, N., et al. Exercise attenuates the major hallmarks of aging. Rejuvenation Research. 18 (1), 57-89 (2015).
- Codina-Martinez, H., et al. Autophagy is required for performance adaptive response to resistance training and exercise-induced adult neurogenesis. Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports. 30 (2), 238-253 (2020).
- Conner, J. D., Wolden-Hanson, T., Quinn, L. S. Assessment of murine exercise endurance without the use of a shock grid: an alternative to forced exercise. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (90), e51846 (2014).
- Meijer, J. H., Robbers, Y.
- Suchomel, T. J., Nimphius, S., Bellon, C. R., Hornsby, W. G., Stone, M. H. Training for muscular strength: Methods for monitoring and adjusting training intensity. Sports Medicine. 51 (10), 2051-2066 (2021).
- Pousson, M., Perot, C., Goubel, F. Stiffness changes and fibre type transitions in rat soleus muscle produced by jumping training. Pflügers Archive. 419 (2), 127-130 (1991).
- Marqueti, R. C., et al. Biomechanical responses of different rat tendons to nandrolone decanoate and load exercise. Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports. 21 (6), 91-99 (2011).
- Cunha, T. S., Tanno, A. P., Costa Sampaio Moura, M. J., Marcondes, F. K. Influence of high-intensity exercise training and anabolic androgenic steroid treatment on rat tissue glycogen content. Life Sciences. 77 (9), 1030-1043 (2005).
- Heinemeier, K. M., et al. Expression of collagen and related growth factors in rat tendon and skeletal muscle in response to specific contraction types. The Journal of Physiology. 582, 1303-1316 (2007).
- Hornberger, T. A., Farrar, R. P. Physiological hypertrophy of the FHL muscle following 8 weeks of progressive resistance exercise in the rat. Canadian Journal of Applied Physiology. 29 (1), 16-31 (2004).
- Yarasheski, K. E., Lemon, P. W., Gilloteaux, J. Effect of heavy-resistance exercise training on muscle fiber composition in young rats. Journal of Applied Physiology. 69 (2), 434-437 (1990).
- Khamoui, A. V., et al. Aerobic and resistance training dependent skeletal muscle plasticity in the colon-26 murine model of cancer cachexia. Metabolism. 65 (5), 685-698 (2016).
- Kregel, K. C., et al. Resource book for the design of animal exercise protocols. American Physiological Society. 152, (2006).
- Marino, G., et al. Autophagy is essential for mouse sense of balance. The Journal of Clinical Investigation. 120 (7), 2331-2344 (2010).
- Figueiredo, V. C., de Salles, B. F., Trajano, G. S. Volume for muscle hypertrophy and health outcomes: The most effective variable in resistance training. Sports Medicine. 48 (3), 499-505 (2018).
- Gentil, P., et al. Using velocity loss for monitoring resistance training effort in a real-world setting. Applied Physiology, Nutrition, and Metabolism. 43 (8), 833-837 (2018).
- Fernández-Sanjurjo, M., et al. Is physical performance (in mice) increased by Veillonella atypica or decreased by Lactobacillus bulgaricus. Journal of Sport and Health Science. 9 (3), 197-200 (2020).
- Shiguemoto, G. E., et al. Effects of resistance training on matrix metalloproteinase-2 activity and biomechanics and physical properties of bone in ovariectomized and intact rats. Scandivavian Journal of Medicine & Science in Sports. 22 (5), 607-617 (2012).
- de Sousa Neto, I. V., et al. Effects of resistance training on matrix metalloproteinase activity in skeletal muscles and blood circulation during aging. Frontiers in Physiology. 9, 190 (2018).
- Ghosh, S., Golbidi, S., Werner, I., Verchere, B. C., Laher, I. Selecting exercise regimens and strains to modify obesity and diabetes in rodents: an overview. Clinical Science. 119 (2), 57-74 (2010).
- Mônico-Neto, M., et al. Resistance training minimizes catabolic effects induced by sleep deprivation in rats. Applied Physiology, Nutrition, and Metabolism. 40 (11), 1143-1150 (2015).
- Hawley, J. A., Hargreaves, M., Joyner, M. J., Zierath, J. R.
- Booth, F. W., Laye, M. J., Spangenburg, E. E. Gold standards for scientists who are conducting animal-based exercise studies. Journal of Applied Physiology. 108 (1), 219-221 (1985).
- Kruger, K., et al. Functional and muscular adaptations in an experimental model for isometric strength training in mice. PLoS One. 8 (11), 79069 (2013).
- Hendrickse, P. W., Krusnauskas, R., Hodson-Tole, E., Venckunas, T., Degens, H. Endurance exercise plus overload induces fatigue resistance and similar hypertrophy in mice irrespective of muscle mass. Experimental Physiology. 105 (12), 2110-2122 (2020).
- Knab, A. M., et al.
- Konhilas, J. P., et al. Loaded wheel running and muscle adaptation in the mouse. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 289 (1), 455-465 (2005).
- Reiter, A., et al. Functional measures of grip strength and gait remain altered long-term in a rat model of post-traumatic elbow contracture. The Journal of Biomechanical Engineering. , (2019).
- Stieglitz, T., Schuettler, M., Schneider, A., Valderrama, E., Navarro, X. Noninvasive measurement of torque development in the rat foot: measurement setup and results from stimulation of the sciatic nerve with polyimide-based cuff electrodes. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 11 (4), 427-437 (2003).
- Seo, D. Y., et al. Humanized animal exercise model for clinical implication. Pflügers Archiv. 466 (9), 1673-1687 (2014).
- Tanaka, H., Swensen, T. Impact of resistance training on endurance performance. A new form of cross-training. Sports Medicine. 25 (3), 191-200 (1998).
- Hakkinen, K., Mero, A., Kauhanen, H. Specificity of endurance, sprint and strength training on physical performance capacity in young athletes. The Journal of Sports Medicine and Physical Fitness. 29 (1), 27-35 (1989).
- Vellers, H. L., Kleeberger, S. R., Lightfoot, J. T. Inter-individual variation in adaptations to endurance and resistance exercise training: genetic approaches towards understanding a complex phenotype. Mammalian Genome. 29 (1), 48-62 (2018).
