La cryothérapie induit une augmentation de la rigidité musculaire

 

Introduction

La cryothérapie est populaire dans la pratique sportive pour diverses raisons. Elle est utilisée pour limiter l'augmentation de la température endogène durant l'exercice et pour traiter les blessures sportives aiguës (fatigue, contusion et lésions musculaires). Elle est utilisée avant, pendant et entre les matchs. Par conséquent, cette tendance amène les athlètes à reprendre une activité physique immédiatement après l'application d'un traitement par le froid.
De nombreuses études ont révélé une augmentation significative de l’amplitude articulaire passive et de l’amplitude du mouvement active immédiatement après l'application de la glace ou l'immersion dans l'eau froide. Ces résultats suggèrent qu'une contrainte mécanique supérieure est appliquée sur une unité muscle-tendon alors que la capacité du muscle à résister à l'étirement actif ou passif est réduite. Il semblerait donc que le risque de lésion musculaire soit augmenté. Cependant, il est important de noter que les mesure de la rigidité passive in vivo prennent en compte divers structures musculaires (agonistes et antagonistes) et non musculaires, telles que tendons, les composés cutanés et articulaires. De ce fait, cette mesure ne fournit pas une estimation directe de la rigidité musculaire. Par conséquent, le changement de la rigidité musculaire en fonction de la température doit être confirmé chez l'homme. L'imagerie par cisaillement supersonique (SSI) est une technique d'élastographie qui quantifie le module de cisaillement d'une zone localisée de tissu. Cette méthode fournit une mesure précise de la rigidité musculaire et permet de quantifier l'effet du refroidissement sur la rigidité musculaire.
 

Objectif

Le but de la présente étude était de quantifier l'effet de l'application d'air froid sur le muscle gastrocnémien médial estimé à l'aide de la SSI, afin d'établir une relation directe entre la température du muscle et le module de cisaillement, la température du muscle a été mesurée tout au long de l'étude à l’aide d'une sonde musculaire placée à côté de la région de mesure.
 

Méthodes

Dix volontaires sains (7 hommes et 3 femmes ; âge : 26,1 ± 2,8 ans ; taille : 177,4 ± 6,1 cm ; masse corporelle : 73,5 ± 10,0 kg) ont participé à l'étude. La température du gastrocnémien médiale droit a été enregistrée manuellement avec une précision de 0,1 ° C. Une sonde de température flexible a été insérée à 2 cm en sous-cutané dans le muscle. Un dynamomètre isocinétique (Con-Trex) a été utilisé pour réaliser les mesures d’amplitude passive au niveau de la cheville. Un échographe Aixplorer couplé à un réseau de transducteurs linéaire a été utilisé pour mesurer le module de cisaillement du gastrocnémien médial. En supposant un comportement élastique linéaire, le module de cisaillement musculaire (μ) a été calculé comme suit :  μ = ρVÙ2 où ρ est la densité du muscle (1000 kg.m-3). Le module de cisaillement a été calculé à l’aide de la vitesse de l'onde de cisaillement, en supposant que la viscosité est négligeable. Les mesures d'élastographie ont été effectuées en position neutre de cheville. Cet angle de la cheville a été choisi de sorte que le muscle gastrocnémien médial soit modérément étiré.

Le refroidissement peut induire une augmentation de l'excitabilité du pool de motoneurones. Par conséquent, l'activité myo-électrique de gastrocnémien médial a été surveillée pendant l'expérience afin de vérifier l'absence d'activation qui pourrait augmenter la rigidité musculaire.

Les participants ont été allongés avec le genou complètement étendu et fermement attaché à l'ergomètre afin de maintenir la même position tout au long du protocole. Une période de repos de 20 minutes a permis aux participants de s'acclimater à la température ambiante (22 ° C). Immédiatement après, l’amplitude passive de la cheville, l'activité myo-électrique, le module de cisaillement et la température du muscle gastrocnémien médial droit ont été mesurés pendant 1 minute. Les participants ont subi 4 séries d'applications d’air pulsé froid (-30 ° C) de 4 minutes chacune, générées par un système de refroidissement de la peau Cryo 6 (Zimmer Medizin Systems, Neu-Ulm, Allemagne). De l'air pulsé à froid a été appliqué sur le gastrocnémien médial droit à la puissance de débit d'air maximale disponible (intensité = 9). Le balayage consistait en des mouvements verticaux et horizontaux, avec une distance de 5 cm entre la buse du tube et la peau. Une minute sans cryothérapie a été respectée entre chaque application pour éviter les brûlures dues au froid extrême. Tous les paramètres mentionnés ont été enregistrés pendant chaque période de récupération. L'évolution de chaque paramètre a été évaluée durant 10 s par minute pendant une période de 40 minutes après la cryothérapie.
 

Résultats

Un effet significatif du temps a été trouvé sur la température musculaire (P <0,001). La température du muscle a diminué significativement après le second traitement (10 min : 32,3 ± 2,5 ° C, P <0,001, d = 1,33). Cette diminution de température atteint un pic à 29 min (9 minutes après la fin du traitement de cryothérapie, 27,9 ± 2,2 ° C, P <0,001, d = 3,92) et persiste jusqu’à 60 minutes (29,5 ± 2,0 ° C; p <0,001; d = 3,33). Cette diminution de température n'a pas affecté l'amplitude EMG du gastrocnémien médial (effet principal du temps : P = 0,871).

Un effet significatif du temps a été trouvé sur le module de cisaillement musculaire (P <0,001). Le module de cisaillement a augmenté de +11,5 ± 11,8% immédiatement après le second traitement (10 min, P = 0,011, d = 0,65). Cette augmentation atteint son maximum à 30 minutes (soit 10 minutes après la fin du traitement de cryothérapie, +34,7 ± 42,6%, p <0,001, d = 0,75) et persiste jusqu'à la fin de la période de post-traitement (+25,4 ± 17,1% P <0,001; d = 0,69). Aucun changement significatif d’amplitude passive n'a été trouvé (effet principal du temps : P = 0,878).
 

Discussion

Nous avons constaté une diminution de la température musculaire et une augmentation du module de cisaillement pendant et après les 20 minutes de cryothérapie pulsée à l'air. Ce changement aigu des propriétés mécaniques du muscle après la cryothérapie peut réduire la quantité d'étirement que le tissu musculaire est capable de supporter sans blessure. Ce résultat devrait être pris en compte lors de l'utilisation de la cryothérapie dans la pratique sportive, en particulier juste avant de reprendre des activités qui exposent le tissu musculaire à des dommages induits par l'exercice.

Le traitement par cryothérapie localisé utilisé dans la présente étude a été efficace pour diminuer la température musculaire (-6,1 ± 1,8 ° C à la fin du traitement). La variabilité de la diminution de la température musculaire après cryothérapie dans la littérature s'explique principalement par l'hétérogénéité de la durée du traitement et la méthode de cryothérapie utilisée (par exemple, glace en cubes, glace pilée, immersion dans l'eau froide et cryothérapie du corps entier). La présente étude a montré que la diminution de la température musculaire a culminé 9 minutes après la fin du traitement par le froid (-7,1 ± 1,0 ° C) et est restée inférieure aux valeurs initiales 40 minutes après la cryothérapie (-5,5 ± 1,6 ° C). Une augmentation significative de la raideur passive mesurée par des méthodes globales a été rapportée immédiatement après la cryothérapie dans certaines études comme par exemple, celle de Muraoka et al. (2007), dans laquelle les auteurs ont constaté que la raideur passive des muscles fléchisseurs plantaires augmentait de + 11% après 60 minutes d'immersion dans l'eau froide à 5-8 ° C. Dans la présente étude, il n'y a pas eu d'effet significatif du refroidissement sur l’amplitude passive. L'écart entre nos résultats et ceux obtenus par Muraoka et al. (2007) pourrait s'expliquer par la différence dans la durée du protocole (60 min chez Muraoka et al., 2007 vs 20 min dans notre étude) et la différence de technique de cryothérapie utilisée (immersion en eau 5-8 ° C) dans Muraoka et al. (2007) par rapport à la cryothérapie pulsée par air froid localisée dans notre étude). La cryothérapie pulsée à l'air froid affecte principalement les propriétés de la peau et des tissus sous-jacents, l'immersion dans l'eau froide est susceptible de modifier les propriétés des diverses structures traversant l'articulation (les muscles agonistes et antagonistes, les tendons, les structures articulaires et la peau). L’amplitude passive résulte d'une combinaison de ces structures musculaires et non musculaires, il est donc plus probable que l'immersion dans l'eau froide affecte largement ce paramètre. Dans la présente étude, la cryothérapie pulsée par l'air induit une augmentation de la rigidité musculaire locale de gastrocnémien médial (module de cisaillement) alors que l’amplitude passive de la cheville reste inchangée. Le refroidissement musculaire a induit une augmentation du module de cisaillement (+26,7 ± 26,1%) pour tous les sujets à la fin du traitement. Cet effet a perduré pendant 40 min post-cryothérapie.

Certaines hypothèses peuvent être proposées pour expliquer cette constatation. Le refroidissement pourrait induire une augmentation de l'excitabilité du pool de motoneurones, cependant aucun changement dans l'activité myo-électrique n’a été observé durant tout le protocole. Le module de cisaillement accru s'expliquerait par des changements viscoélastiques globaux induits par la température. Certaines études ont émis l’hypothèse que les changements se situeraient au niveau des protéines musculaires. Tornberg (2005) a montré qu'une augmentation de la température musculaire de 25 à 37 ° C induisait un dépliement de la myosine et du collagène (c'est-à-dire une dénaturation des protéines). L'augmentation du module de cisaillement au repos rapporté dans la présente étude pourrait être attribuée à la fois à des changements dans la structure active (ponts actine-myosine) et à des changements dans les structures élastiques passives de la matrice extracellulaire.

Fait intéressant, il a été observé que la déformation musculaire passive nécessaire à la rupture était plus faible dans le muscle froid que dans le muscle chaud en particulier pour la température musculaire inférieure à 32 ° C. L'étude actuelle confirme une augmentation de la rigidité musculaire due à l'application du froid chez l'homme. Une augmentation du module de cisaillement musculaire devrait théoriquement conduire à une diminution de la capacité d'absorption d'énergie. Par conséquent, cela limiterait la capacité de l'unité muscle-tendon à supporter une tension externe, laissant les fibres musculaires plus vulnérables aux dommages. De plus, le fait que l'amplitude maximale des mouvements et la raideur des tendons soient liés à l'incidence des lésions musculaires met en évidence l'implication présumée du module de cisaillement musculaire dans la survenue de la blessure. Par conséquent, pour une reprise de l’activité immédiate ou 40 minutes plus tard, la cryothérapie doit être évitée dans les muscles (notamment bi-articulaires) et dans les localisations (jonctions myo-tendineuses) plus sensibles aux microtraumatismes. Dans le cas contraire, elle doit être suivie d’un échauffement spécifique des muscles refroidis.

Les auteurs ont effectué une analyse supplémentaire pour évaluer les changements d'angle de pennation à 29 min (pic de diminution de la température du muscle). Cette analyse n'a montré aucun changement significatif (P = 0,51) de l'angle de pennation par rapport aux mesure initiales. Par conséquent, l'orientation des fascicules musculaires n'a pas influencé les changements dans le module de cisaillement observés après la cryothérapie.
 

Conclusion

L'étude actuelle a montré que vingt minutes de cryothérapie pulsée par l'air induit une diminution immédiate de la température musculaire associée à une augmentation de la raideur musculaire. La rigidité musculaire et la température étaient toutes deux supérieures aux valeurs initiales 40 minutes après la cryothérapie. Le reprise terrain doit être évitée immédiatement et pendant une période de 40 minutes après application de cryothérapie au niveau des muscles et des endroits les plus sensibles aux microtraumatismes, ou suivie d'un échauffement progressif des muscles refroidis. Il est important de noter qu'un environnement froid et humide peut également diminuer la température du muscle entre 20 et 30 ° C, d’où l’importante de réaliser un échauffement plus long et spécifique avant de commencer ou de reprendre une activité (par exemple, après la mi-temps) afin d’éviter l'augmentation de la rigidité musculaire.
 

Article original

Cryotherapy induces an increase in muscle stiffness, M. Point et Al. 2017, Doi : 10.1111/sms.12872
 
Bibliographie

Algafly AA, George KP. The effect of cryotherapy on nerve conduction velocity, pain threshold and pain tolerance. Br J Sports Med 2007: 41: 365–369.
Bercoff J, Tanter M, Fink M. Supersonic shear imaging: a new technique for soft tissue elasticity mapping. IEEE Trans. Ultrason Ferroelectr Freq Control 2004: 51: 396–409.
Blazevich AJ. Effects of physical training and detraining, immobilisation, growth and aging on human fascicle geometry. Sports Med Auckl NZ 2006: 36: 1003–1017.
Bleakley C, McDonough S, MacAuley D. The Use of Ice in the Treatment of Acute Soft- Tissue Injury: A Systematic Review of Randomized Controlled Trials. Am J Sports Med 2004: 32: 251–261.
Bleakley CM, Costello JT. Do Thermal Agents Affect Range of Movement and Mechanical Properties in Soft Tissues? A Systematic Review. Arch Phys Med Rehabil 2013: 94: 149– 163.
Bleakley CM, Costello JT, Glasgow PD. Should Athletes Return to Sport After Applying Ice? A Systematic Review of the Effect of Local Cooling on Functional Performance. Sports Med 2012: 42: 69–87.
Brandenburg JE, Eby SF, Song P, Zhao H, Brault JS, Chen S, et al. Ultrasound Elastography: The New Frontier in Direct Measurement of Muscle Stiffness. Arch Phys Med Rehabil 2014: 95: 2207–2219.
Catheline S, Gennisson J-L, Delon G, Fink M, Sinkus R, Abouelkaram S, et al. Measurement of viscoelastic properties of homogeneous soft solid using transient elastography: An inverse problem approach. J Acoust Soc Am 2004: 116: 3734.
Chen SS, Humphrey JD. Heat-induced changes in the mechanics of a collagenous tissue: pseudoelastic behavior at 37 degrees C. J Biomech 1998: 31: 211–216.
Cohen J. Statistical Power Analysis for the Behavioral Sciences. 2 edition. Hillsdale, N.J: Routledge: 1988.
Costello JT, Algar LA, Donnelly AE. Effects of whole-body cryotherapy (−110 °C) on proprioception and indices of muscle damage: Effects of whole-body cryotherapy. Scand J Med Sci Sports 2011: 22: 190–198.
Costello JT, Culligan K, Selfe J, Donnelly AE. Muscle, Skin and Core Temperature after −110°C Cold Air and 8°C Water Treatment. PLoS ONE 2012: 7: e48190.
Costello JT, Donnelly AE. Cryotherapy and Joint Position Sense in Healthy Participants: A Systematic Review. J Athl Train 2010: 45: 306–316.
Deffieux T, Montaldo G, Tanter M, Fink M. Shear wave spectroscopy for in vivo quantification of human soft tissues visco-elasticity. IEEE Trans Med Imaging 2009: 28: 313- 322.
Dykstra JH, Hill HM, Miller MG, Cheatham CC, Michael TJ, Baker RJ. Comparisons of cubed ice, crushed ice, and wetted ice on intramuscular and surface temperature changes. J Athl Train 2009: 44: 136–141.
Eby SF, Song P, Chen S, Chen Q, Greenleaf JF, An K-N. Validation of shear wave elastography in skeletal muscle. J Biomech 2013: 46: 2381–2387.
Freitas SR, Andrade RJ, Larcoupaille L, Mil-homens P, Nordez A. Muscle and joint responses during and after static stretching performed at different intensities. Eur J Appl Physiol 2015: 115: 1263–1272.
Gennisson J-L, Deffieux T, Fink M, Tanter M. Ultrasound elastography: Principles and techniques. Diagn Interv Imaging 2013: 94: 487–495.
Green MA, Sinkus R, Gandevia SC, Herbert RD, Bilston LE. Measuring changes in muscle stiffness after eccentric exercise using elastography. NMR Biomed 2013: 25: 852–858.
Guilhem G, Hug F, Couturier A, Regnault S, Bournat L, Filliard J-R, et al. Effects of Air- Pulsed Cryotherapy on Neuromuscular Recovery Subsequent to Exercise-Induced Muscle Damage. Am J Sports Med 2013: 41: 1942–1951.
Herbert RD, Clarke J, Kwah LK, Diong J, Martin J, Clarke EC, et al. In vivo passive mechanical behaviour of muscle fascicles and tendons in human gastrocnemius muscle- tendon units. J Physiol 2011: 589: 5257–5267.
Hicks K, Onambele‐Pearson G, Winwood K, Morse C. Gender differences in fascicular lengthening during eccentric contractions: the role of the patella tendon stiffness. Acta Physiologica 2013: 209: 235-244.
Jutte LS, Merrick MA, Ingersoll CD, Edwards JE. The relationship between intramuscular temperature, skin temperature, and adipose thickness during cryotherapy and rewarming. Arch. Phys Med Rehabil 2001: 82: 845–850.
Koo TK, Hug F. Relationship between shear elastic modulus and passive muscle force: an ex- vivo study. J Biomech 2015: 48: 3539–3542.
Kubo K, Kanehisa H, Fukunaga T. Effects of cold and hot water immersion on the mechanical properties of human muscle and tendon in vivo. Clin Biomech 2005: 20: 291–300.
Leikina E, Mertts MV, Kuznetsova N, Leikin S. Type I collagen is thermally unstable at body temperature. Proc Natl Acad Sci U.S.A 2002: 99: 1314–1318.
McHugh MP, Cosgrave CH. To stretch or not to stretch: the role of stretching in injury prevention and performance. Scand J Med Sci Sports 2010: 20: 169–181.
Merrick MA, Rankin JM, Andres FA, Hinman CL. A preliminary examination of cryotherapy and secondary injury in skeletal muscle. Med Sci Sports Exerc 1999: 31: 1516–1521.
Minton J. A Comparison of thermotherapy and cryotherapy in enhancing supine, extended- leg, hip flexion. J Athl Train 1993: 28: 172–176.
Miyamoto N, Hirata K, Kanehisa H, Yoshitake Y. Validity of measurement of shear modulus by ultrasound shear wave elastography in human pennate muscle. PLoS ONE 2015: 10: e0124311.
Morales-Artacho A, Lacourpaille L, Guilhem G. Effects of warm-up on hamstring muscles stiffness: cycling vs. foam rolling. Scand J Med Sci Sports In press.
Muraoka T, Omuro K, Wakahara T, Muramatsu T, Kanehisa H, Fukunaga T, et al. Effects of muscle cooling on the stiffness of the human gastrocnemius muscle in vivo. Cells Tissues Organs 2007: 187: 152–160.
Nadler SF, Weingand K, Kruse RJ. The physiologic basis and clinical applications of cryotherapy and thermotherapy for the pain practitioner. Pain Physician 2004: 7: 395–400.
Noonan TJ, Best TM, Seaber AV, Garrett WE. Thermal effects on skeletal muscle tensile behavior. Am J Sports Med 1993: 21: 517–522.
Oksa J, Rintamäki H, Rissanen S, Rytky S, Tolonen U, Komi PV. Stretch- and H-reflexes of the lower leg during whole body cooling and local warming. Aviat Space Environ Med 2000: 71: 156–161.
Palmieri-Smith RM, Leonard-Frye JL, Garrison CJ, Weltman A, Ingersoll CD. Peripheral joint cooling increases spinal reflex excitability and serum norepinephrine. Int J Neurosci 2007: 117: 229–242.
Price R, Lehmann JF. Influence of muscle cooling on the viscoelastic response of the human ankle to sinusoidal displacements. Arch Phys Med Rehabil 1990: 71: 745–748.
Pritchard KA, Saliba SA. Should Athletes Return to Activity After Cryotherapy? J Athl Train 2014: 49: 95–96.
Pugh LG. Cold stress and muscular exercise, with special reference to accidental hypothermia. Br Med J 1967: 2: 333–337.
Racinais S, Oksa J. Temperature and neuromuscular function: Temperature and neuromuscular function. Scand J Med Sci Sports 2010: 20: 1–18.
Riemann BL, DeMont RG, Ryu K, Lephart SM. The effects of sex, joint angle, and the gastrocnemius muscle on passive ankle joint complex stiffness. J Athl Train 2001: 36: 369.
Ross M, Abbiss C, Laursen P, Martin D, Burke L. Precooling Methods and Their Effects on Athletic Performance: A Systematic Review and Practical Applications. Sports Med 2013: 43: 207–225.
Rupp KA, Herman DC, Hertel J, Saliba SA. Intramuscular Temperature Changes During and After 2 Different Cryotherapy Interventions in Healthy Individuals. J Orthop Sports Phys Ther 2012: 42: 731–737.
Sapin-de Brosses E, Gennisson J-L, Pernot M, Fink M, Tanter M. Temperature dependence of the shear modulus of soft tissues assessed by ultrasound. Phys Med Biol 2010: 55: 1701– 1718.
Scott EEF, Hamilton DF, Wallace RJ, Muir AY, Simpson AHRW. Increased risk of muscle tears below physiological temperature ranges. Bone Jt Res 2016: 5: 61–65.
Tornberg E. Effects of heat on meat proteins - Implications on structure and quality of meat products. Meat Sci 2005: 70: 493-508.
Watsford ML, Murphy AJ, McLachlan KA, Bryant AL, Cameron ML, Crossley KM, Makdissi M. A prospective study of the relationship between lower body stiffness and hamstring injury in professional Australian rules footballers. Am J Sports Med 2010: 38: 2058-2064.
Witvrouw E, Danneels L, Asselman P, D’Have T, Cambier D. Muscle flexibility as a risk factor for developing muscle injuries in male professional soccer players a prospective study. Am J Sports Med 2003: 31: 41–46.