Dans le processus de respiration pulmonaire, la circulation de l'air est basée, d'une part sur les différences de pressions atmosphérique et internes, et d'autre part sur la contraction et le relâchement des muscles de la respiration. L'air pénètre donc dans les poumons lorsque la pression y est inférieure à la pression atmosphérique et en ressort quand c'est l'inverse.
Par ailleurs ces variations de pressions sont induites par le changement de volume des poumons : l'air rentre quand les poumons prennent de l'expansion.
C'est le processus de la respiration normale (ou respiration spontanée), qui ne va pas au maximum de l'inspiration et dont l'expiration est passive.
Par contre, lors d'une respiration forcée, on inspire jusqu'au volume maximal des poumons. Puis les muscles abdominaux et intercostaux internes agissent dans l'autre sens pour expirer activement l'air jusqu'au plus petit volume pulmonaire. Mais les poumons ont une limite d'expansion qu'il ne faut naturellement pas dépasser.
Il est donc normal qu'un mécanisme de contrôle veille à ce que la profondeur de l'inspiration ne dépasse pas ses limites.
Le contrôle nerveux de la respiration se situe au niveau du Pont et du Bulbe Rachidien. Ce "centre respiratoire" envoie des influx nerveux aux muscles de la respiration, qui se contractent. On distingue trois zones fonctionnelles : le centre bulbaire de la rythmicité dans le Bulbe Rachidien, le centre pneumotaxique et le centre apneustique dans le Pont.
Les centres respiratoires fonctionnent de façon autonome réflexe. Mais ils peuvent aussi fonctionner de façon volontaire.
Le diaphragme est innervé par le nerf phrénique tandis que les muscles intercostaux sont innervés par les nerfs intercostaux. Les autres nerfs afférents font parties du plexus cervical et du plexus bronchial. Les réflexes respiratoires, dont le rôle est primordial dans la régulation de la respiration, sont des réflexes d'origine pulmonaire et sont acheminés aux centres nerveux par le pneumogastrique.
Au repos, l'aire inspiratoire produit spontanément des influx nerveux qui se propagent aux muscles intercostaux externes et au diaphragme. Lorsque ces musclent se contractent, l'inspiration a lieu. Au bout de 2 secondes, l'aire inspiratoire devient inactive et n'envoie donc plus d'influx nerveux. Les musclent se relâchent, c'est l'expiration. Au repos, l'aire expiratoire est donc inactive.
Par contre, pendant une respiration forcée, les influx nerveux émis par l'aire inspiratoire activent l'aire expiratoire. Les muscles expirateurs (intercostaux internes et abdominaux) se contractent, ils abaissent les côtes et refoulent le diaphragme vers le thorax en comprimant l'abdomen. Les dimensions de la cavité thoracique diminuent et l'expiration forcée a lieu.
La respiration forcée est aussi bien volontaire que spontanée lors des activités sportives.
En effet, l'exercice physique accroît les oxydations (combustion du glucose dans les cellules) et provoque un appel d'oxygène. Spontanément, l'inspiration s'amplifie pour capturer une quantité plus importante d'oxygène, et par voie de conséquence, l'expiration sera amplifiée. Il s'ensuit également une accélération du rythme cardiaque, le sang circule plus vite pour apporter rapidement le précieux oxygène aux cellules.
Par ailleurs, notre rythme respiratoire est le fidèle reflet de notre état psychique : peur, colère, calme, joie, tristesse, bien-être … se manifestent par un état respiratoire particulier. Cette prise de conscience permet d'agir sur son état émotionnel en modifiant consciemment notre respiration.
Le yoga est excellente technique pour apprendre à maîtriser son souffle.
Plusieurs types de respiration sont pratiqués selon les postures. Avec l’abdomen ou la cage thoracique, exclusivement par le nez ou avec la bouche, en se bouchant alternativement une narine, en bloquant la respiration, en égalisant l’inspiration et l’expiration ou en les désolidarisant…
Une inspiration lente et ample (celle que l'on pratique en relaxation par exemple) est meilleure qu'une respiration superficielle et rapide pour la ventilation alvéolaire, elle permet de contrôler ses émotions et de gérer son stress.
La ventilation pulmonaire.
La ventilation pulmonaire est un processus qui fait intervenir le jeu des pressions : atmosphérique, intra alvéolaire et intra pleurale.
C'est en effet une différence de pression qui permet la circulation de l'air d'un volume à un autre, l'air se déplaçant toujours d'une région de haute pression vers une région de basse pression.
La pression intra alvéolaire, à l'intérieur des alvéoles pulmonaires, est égale à la pression atmosphérique lorsque la ventilation est au repos, c'est à dire juste avant chaque inspiration.
Par contre cette pression diminue à l'inspiration et augmente à l'expiration.
En effet, au moment de l'inspiration, la pression dans nos alvéoles est de 758 mm de Hg, alors que la pression atmosphérique est de 760 mm de Hg.
Ce gradient de 2 mm de Hg seulement suffit à faire pénétrer 500 ml d'air dans nos poumons.
La pression intra pleurale est la pression du liquide mesurée dans la cavité pleurale, entre les deux feuillets de la plèvre ; elle est toujours inférieure à la pression intra alvéolaire, donc négative.
La différence permanente entre ces deux pressions permet aux alvéoles de rester légèrement dilatées.
Par ailleurs, comme on l'a également déjà vu précédemment, les différentes pressions sont induites par le changement de volume des poumons : l'air pénètre dans les poumons lorsqu'ils prennent de l'expansion.
Le diaphragme est l'un des muscles les plus importants de notre corps, c'est le grand muscle de l'émotion.
Il sépare l'abdomen du thorax, c'est-à-dire la vie rythmique (cardio-respiratoire) de la vie métabolique (digestive et urogénitale). Il monte à l'expiration et s'abaisse à l'inspiration, accompagnant les mouvements pulmonaires. Abaissé, il crée un appel d'air vers les poumons et comprime donc les organes de l'abdomen. A l'expiration, il remonte, libérant ces organes. Ce mouvement régulier correspond à un massage profond et constant du foie, des intestins, du pancréas, des reins, de la rate, des organes génitaux internes et permet ainsi une bonne circulation sanguine dans tout l'abdomen.
L'inspiration se fait alors suivant 5 étapes :
1. Contraction des muscles inspiratoires : les intercostaux externes et le diaphragme
2. Augmentation du volume de la cavité thoracique et baisse de la pression intra pleurale
3. Dilatation des poumons et augmentation du volume intra alvéolaire
4. Diminution de la pression intra alvéolaire
5. Entrée de l'air dans les poumons (sens du gradient)
L'expiration, qui consiste à expulser l'air des poumons, est également due à un gradient de pressions, mais contrairement à l'inspiration, lorsqu'elle est normale (non forcée), est un processus passif, car ne nécessite pas de contraction musculaire.
L'expiration se déroule en 5 étapes, en sens inverse de l'inspiration :
1. Relâchement des muscles inspiratoires
2. Diminution du volume de la cavité thoracique et augmentation de la pression intrapleurale
3. Rétraction des poumons et diminution du volume intra alvéolaire
4. Augmentation de la pression intra alvéolaire
5. Sortie de l'air dans le sens du gradient.
Chez l'adulte au repos, le rythme respiratoire est de 16 à 18 mouvements respiratoires par minute. Il augmente avec le travail musculaire et surtout avec les émotions. Il diminue pendant le sommeil. En moyenne, le volume d'air inspiré en respiration calme est de 500 ml.
Cette quantité d'air est suffisante pour alimenter notre corps en oxygène, en l'absence d'effort important. Grâce à un spiromètre, on obtient un tracé donnant les variations des volumes d'air dans les poumons au cours de la respiration, par mesure du taux d'oxygène consommé. Le spirogramme obtenu se lit de droite (début de l'enregistrement) à gauche (fin de l'enregistrement).
Une inspiration profonde permet d'inhaler un volume d'air supérieur à 500 ml, c'est le volume de réserve inspiratoire d'environ 3100 ml chez l'homme adulte (1900 ml chez la femme).
L'expulsion de l'air qui s'ensuit peut atteindre 1200 ml chez l'homme (700 ml chez la femme), c'est le volume de réserve expiratoire.
Or, même après l'expulsion de ce volume de réserve expiratoire, il reste une grande quantité d'air dans le nez, le pharynx, le larynx, la trachée, les bronches, les alvéoles (environ 1200 ml chez l'homme, non mesurable par le spiromètre), appelée volume résiduel.
Celui-ci est dû à la pression intrapleurale négative qui maintient les alvéoles légèrement gonflées, ainsi qu'à l'air présent dans les conduits qui ne s'affaissent jamais. Lorsqu'on expire à fond, au maximum de ses possibilités, on a l'impression d'avoir "vidé" ses poumons. Heureusement il n'en est rien, on a simplement atteint des limites physiologiques : celles nos muscles du thorax et de l'abdomen (diaphragme).
Il reste de l'air dans les poumons. Si ce n'était pas le cas, les parois des alvéoles se refermeraient. Il reste alors dans nos poumons un volume d'air important : environ 1500 ml. C'est un volume suffisant pour tenir 30 secondes en apnée.
Ces différents volumes permettent de déterminer les capacités respiratoires :
- capacité inspiratoire : c'est la quantité d’air maximale qui peut entrer dans les deux poumons lors d’une inspiration forcée, égale à la somme des volumes courant + réserve inspiratoire. - capacité vitale : c'est la quantité maximale d'air pouvant entrer et sortir des poumons lors d'une inspiration et d'une expiration forcées.
Elle est égale à la somme des volumes courant + réserve inspiratoire + réserve expiratoire.
- capacité résiduelle fonctionnelle : c'est la quantité d'air qui reste dans les poumons après une expiration normale (elle augmente dans les troubles obstructifs). C'est la somme du volume résiduel et du volume de réserve expiratoire.
- capacité pulmonaire totale : c'est le volume d'air maximum contenu dans les voies aériennes après une inspiration forcée. Elle est égale à la capacité vitale + le volume résiduel.
Le transport de l'oxygène dans le sang à partir des alvéoles pulmonaires.
La ventilation pulmonaire assure le renouvellement des gaz dans les alvéoles afin de permettre les échanges entre les gaz alvéolaires et les gaz du sang à travers la membrane alvéolo-capillaire.
Pour permettre l'enrichissement du sang en oxygène, la ventilation respiratoire augmente en même temps que l'amplitude et la fréquence des mouvements respiratoires.
Les échanges d'oxygène (O2) et de dioxyde de carbone (CO2) entre l'air alvéolaire et le sang pulmonaire s'effectuent par diffusion passive : les gaz se déplacent par diffusion des zones où leur pression est élevée vers des zones où leur pression est plus basse (lois de Dalton et Henry).
Le sang désoxygéné qui arrive aux poumons dans les capillaires pulmonaires où a lieu la respiration externe (échange gazeux pulmonaire).
L'oxygène de l'air diffuse des alvéoles pulmonaires vers les capillaires pulmonaires et simultanément le dioxyde de carbone diffuse en sens inverse pour être évacuer.
L'oxygène gazeux, à présent dans le sang, est transporté principalement (98,5%) sous forme d'O2 lié à l'hémoglobine.
En effet, l'oxygène étant peu soluble dans l'eau, la forme dissoute dans le plasma sanguin ne représente que 1,5% de la quantité d'oxygène total inhalé.
Les molécules d'hémoglobine sont les constituants principaux des hématies, elles ont des propriétés qui lui permettent de fixer de manière réversible l'oxygène contenu dans le sang.
La molécule d'hémoglobine est composé de 4 chaînes polypeptidiques (2α et 2β) qui contiennent chacune un noyau (hème) dans lequel se trouve un atome de fer. Celui-ci, sous sa forme Fe++, peut fixer une molécule d'oxygène.
La réaction globale est :
Liaison d' O2 Hb + O2 ↔ Hb O2
Désoxyhémoglobine Oxygène Dissociation d' O2 Oxyhémoglobine
La quantité de molécules d'oxygène lié à l'hème est proportionnelle à la concentration de ces molécules dans le sang et à la pression partielle qu'exerce ce gaz. L'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène s'exprime par la pression partielle en oxygène (P50) pour laquelle 50% de l'hémoglobine est oxygéné. Celle-ci varie en fonction de 4 facteurs :
- la température : elle favorise la libération d'O2 de l'oxyhémoglobine. Par contre, en cas d'hypothermie, le métabolisme cellulaire est ralenti et les besoin en oxygène sont moindres.
- le Ph : il est acide lorsqu'une grande quantité de CO2 dans le sang est convertie en acide carbonique (H2CO3). Cet acide pénètre dans les érythrocytes et libère un ion H+ qui se fixe à l'hémoglobine, modifie sa structure et favorise la libération de l'oxygène. A l'inverse, une élévation du pH augmente l'affinité de l'hémoglobine pour l'O2.
- la teneur en CO2 sanguin, relativement élevée dans les capillaires systémiques, en provenance des cellules métaboliquement actives, entraîne une diminution de l'affinité Hb/O2. C'est l'inverse dans les capillaires pulmonaires.
- certaines hormones comme la thyroxine, l'adrénaline, la noradrénaline et la testostérone réduisent l'affinité Hb/O2, en stimulant la formation du 2,3-DPG (2,3 diphosphoglycérate) au cours de la glycolyse qui se déroule dans les érythrocytes.
Seul l'oxygène dissous dans le plasma (1,5%) peut diffuser des capillaires tissulaires vers les cellules, d'où l'importance des facteurs favorisant la dissociation de l'oxyhémoglobine, au bon endroit, au bon moment (cf schéma).
En conclusion :
L'air que nous respirons est comme une "bouchée", si on la rejette trop vite, les poumons ne peuvent pas l'assimiler suffisamment pour que l'organisme en bénéficie pleinement.
En ne respirant qu'avec le haut des poumons, l'air désoxygéné ne peut pas être chassé au maximum et remplacé par l'air oxygéné.
Donc pour retirer de l'air que nous respirons le maximum de ses bienfaits, il faut le comprimer, le retenir dans les poumons, afin que l'organisme ouvre tous les chemins possibles (les plus petits conduits, alvéoles), pour qu'il puisse y circuler.
Respirer un air pur, lentement, rythmiquement, en y mettant toute son attention et surtout en prenant conscience qu'il est porteur d'éléments bienfaisants qui vont contribuer à une bonne santé.
