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ventilation

(latin ventilatio)

Inspiration et expiration
Inspiration et expiration

Ensemble des phénomènes qui permettent les mouvements de l'air dans les voies respiratoires.

PHYSIOLOGIE

Les mouvements respiratoires

Ces mouvements sont provoqués par les muscles dits respiratoires, sous contrôle de centres nerveux. On distingue deux temps dans la ventilation : l'inspiration, qui fait pénétrer l'air à l'intérieur des poumons, et l'expiration, qui expulse l'air vers l'extérieur.

L'inspiration

Au cours d'une inspiration, le volume de la cage thoracique augmente dans toutes les directions. L'accroissement de volume vers l'avant résulte du soulèvement des côtes et du sternum, provoqué par la contraction des muscles intercostaux externes. En se soulevant, les côtes s'écartent également sur les côtés, ce qui entraîne une augmentation latérale du volume thoracique.

L'accroissement de volume vers le bas est dû à la contraction du diaphragme. Ce muscle à forme convexe orientée vers le haut s'aplatit vers le bas en se contractant. Le centre du diaphragme peut ainsi s'abaisser de 2 cm au cours d'une inspiration normale, et jusqu'à 7 cm au cours d'une inspiration forcée. La colonne vertébrale est le seul élément de la cage thoracique qui demeure fixe au cours d'une inspiration.

Les poumons restent solidaires des mouvements de la cage thoracique grâce à la plèvre. En effet, il règne entre les deux feuillets une pression négative qui les maintient proches l'un de l'autre.

Enfin, il existe des muscles accessoires de la respiration tels que les scalènes et les sterno-cléido-mastoïdiens qui n'interviennent que pour des fréquences respiratoires importantes. D'autres muscles, comme les muscles postérieurs du cou, ceux des joues ou des ailes du nez, peuvent également intervenir pour faciliter l'écoulement de l'air dans les voies respiratoires.

L'expiration

Elle peut être passive ou active. Chez un individu au repos, la ventilation est calme, et l'expiration se fait par simple relâchement des muscles respiratoires. La diminution de leur tonus entraîne la rétraction de la cage thoracique, qui, en compressant les poumons, les vide d'une partie de leur air. Le diaphragme, repoussé par la pression abdominale désormais supérieure à la pression thoracique, reprend sa forme initiale.

En cas d'expiration active, les muscles intercostaux internes se contractent et, par leur action opposée à celle des intercostaux externes, commandent l'affaissement des côtes. Les muscles abdominaux sont également mis à contribution pour accélérer la remontée du diaphragme.

La régulation de la ventilation

Les mouvements respiratoires sont sous la commande de centres nerveux qui se trouvent dans le bulbe rachidien, situé en haut de la moelle épinière. Ce centre respiratoire reçoit, par l'intermédiaire des fibres nerveuses du nerf vague (le dixième nerf crânien), des informations sensitives provenant des diverses régions de l'arbre bronchique.

Le cerveau est ainsi renseigné sur le mouvement des alvéoles, et également sur des excitations (stimulation par un petit corps étranger, par exemple) auxquelles les bronches et les bronchioles sont soumises. Le centre respiratoire reçoit également des informations venant de récepteurs chimiques (chémorécepteurs) sensibles à la teneur en oxygène et en dioxyde de carbone du sang, ainsi qu'à son acidité (pH, ou concentration en ions hydrogène H+). La détection d'une baisse du taux d'oxygène (hypoxie) ou d'une augmentation du taux de gaz carbonique (hypercapnie) entraîne rapidement une augmentation du rythme respiratoire.

Le centre respiratoire est également un centre effecteur qui va commander et coordonner l'activité des muscles respiratoires, notamment par l'intermédiaire du nerf phrénique. Cette activité peut se dérouler de façon totalement automatique, comme au cours du sommeil, ou bien être le résultat d'une commande volontaire. Mais le centre respiratoire peut aussi intervenir sur le diamètre des alvéoles, des bronches, des bronchioles ou des vaisseaux sanguins et réguler la sécrétion du mucus.

Certaines des fibres nerveuses impliquées dans la régulation de la respiration forment une structure complexe (le plexus pulmonaire) située au niveau de la scission de la trachée en bronches souches et du hile pulmonaire.

Modifications de la ventilation

La consommation d'oxygène étant liée aux besoins énergétiques, la ventilation doit s'adapter pour permettre des échanges gazeux optimaux au niveau des tissus.

Ventilation et exercice physique

L'oxygène de l'air oxyde des substrats, ce qui a pour effet d'en extraire de l'énergie. Lors d'un exercice musculaire, les besoins en énergie (→ métabolisme) sont augmentés. C'est pourquoi le métabolisme oxydatif est stimulé, afin d'entraîner une consommation plus importante d'oxygène ainsi qu'une plus grande production de dioxyde de carbone et de chaleur. Le niveau métabolique du muscle peut ainsi être multiplié par 100 au cours d'un exercice musculaire.

Comme les muscles captent intensément l'oxygène du sang, la pression partielle de ce gaz devient très basse et facilite d'autant sa diffusion au niveau alvéolaire. Au fur et à mesure de l'exercice, la ventilation devient plus profonde, sa fréquence augmente et le volume inspiré à chaque cycle est plus important. Cette adaptation de la ventilation pulmonaire est proportionnelle à la consommation d'oxygène et à la puissance du travail fourni. On estime que le débit sanguin passe de 5,5 l/min en période de repos à 25 l/min, voire 35, au cours d'un exercice violent, tandis que la consommation d'oxygène passe de 250 ml/min à 4 000 ml/min.

Mais l'hyperventilation ne s'arrête généralement pas à la fin de l'exercice, car celui-ci a généré un déficit en oxygène. En effet, les voies métaboliques aérobies peuvent rarement assurer à elles seules des besoins importants en oxygène. Très rapidement, le métabolisme anaérobie (fonctionnant sans oxygène), plus rapide mais moins rentable, participe à la production énergétique. Mais ce métabolisme produit de l'acide lactique, qui augmente l'acidité du sang. L'hyperventilation présente après l'exercice provoque une alcalose respiratoire, et les ions H+ excédentaires sont ainsi neutralisés (tamponnés).

La respiration en milieu hostile

En haute montagne, l'organisme doit faire face à une raréfaction de l'oxygène. Cette raréfaction est due à la seule baisse de la pression atmosphérique, car l'air contient toujours les mêmes proportions d'oxygène et d'azote, les deux principaux gaz. L'organisme doit donc adapter ses paramètres physiologiques pour qu'une quantité normale d'oxygène parvienne aux tissus.

L'hypoxie, baisse de la pression partielle de l'oxygène, stimule les centres respiratoires, qui répondent par une augmentation de la fréquence ventilatoire. Mais cette hyperventilation entraîne à son tour une hypocapnie (baisse de pression partielle de dioxyde de carbone) et une alcalose (baisse de l'acidité du sang) qui doivent être compensées par une élimination accrue de bicarbonate (substance tampon) par le rein. Cette adaptation ventilatoire s'installe en quelques jours. On observe également la survenue progressive d'autres adaptations physiologiques telles que l'augmentation du nombre des globules rouges ou une tachycardie.

Pour un exercice d'une puissance donnée, l'hyperventilation est plus importante en altitude qu'au niveau de la mer. La puissance maximale aérobie, estimée par la consommation maximale d'oxygène, diminue largement avec l'altitude : évaluée à 70 % au sommet du mont Blanc, elle tombe à 30 % au sommet de l'Everest. Il en résulte une diminution de la puissance musculaire et un allongement de la période de récupération après l’effort.

MÉDECINE

La ventilation artificielle remplace la ventilation naturelle lorsque les mouvements respiratoires sont insuffisants, quel que soit l'état de la fonction circulatoire (naturelle ou entretenue de façon artificielle). Les techniques de secourisme sont généralement mises en œuvre sur les lieux mêmes de l'accident (noyade, électrocution, etc.) : certaines, fondées sur l'élasticité de la cage thoracique, consistent à la comprimer puis à la relâcher de façon alternative (techniques de Silvester, de Holger-Nielsen), tandis que d'autres ont recours à une insufflation externe (bouche-à-bouche, bouche-à-nez).

Pour en savoir plus, voir l'article ventilation artificielle.