Control of ventilation at exercise in hypoxia : highlighting a constitutional periodicity

L’instabilité de la ventilation est un phénomène connu chez l’homme. Elle était jusqu’à présent observée chez l’homme sain en altitude et chez les patients souffrant d’insuffisance cardiaque (IC) et de syndrome d’apnées du sommeil (SAS), d’origine centrale, obstructive ou mixte, le plus souvent pendant le sommeil. Une analyse spectrale rétrospective de tests d’effort en hypoxie a mis à jour une instabilité ventilatoire lorsque le système de contrôle de la ventilation est soumis à une double contrainte, physiologique (exercice modéré) et environnemental (hypoxie simulant une altitude de 2000 à 4800 m d’altitude). Des protocoles prospectifs ont corrélé positivement l’amplitude de ces oscillations de la ventilation au débit cardiaque (Q̇c) et au niveau de ventilation (V̇E), tandis que la période est raccourcie lorsque V̇E et Q̇c augmentent. À l’opposé d’une période des apnées d’environ 1 minute chez les patients IC et SAS, nos observations ont permis de mesurer la période des oscillations ventilatoires à l’exercice et en hypoxie entre 11 et 12 secondes. Les sujets montrant une plus forte réponse ventilatoire à l’hypoxie et une sensibilité plus élevée au CO₂ exhibent une plus grande instabilité ventilatoire. L’hyperoxie et l’hypercapnie ont des effets opposés : alors que l’inhalation d’O₂ ne modifie pas la stabilité du système (vs normoxie), l’hypercapnie hyperoxique exacerbe le phénomène oscillatoire. Un traitement pharmacologique par acétazolamide (ACZ) améliore la stabilité ventilatoire, appuyant ainsi, en regard des données précédentes, le rôle central des chémorécepteurs périphériques dans la survenue des oscillations de la ventilation. Un modèle mathématique du contrôle de la ventilation intégrant, parmi de nombreux paramètres cardiorespiratoires, les sensibilités à l’O₂ et au CO₂, et les interactions périphérique-central, confirme l’implication du niveau d’hypoxie et du délai de convection sanguine entre les poumons et les chémorécepteurs périphériques dans la période des oscillations. Il souligne également le rôle potentiel de l’espace mort dans la survenue de l’instabilité respiratoire.Breathing instability is a well-known phenomenon in human. Until now, it was observed in healthy subjects at altitude et in patients suffering from chronic heart failure (CHF) or sleep apnea syndrome (SAS), central, obstructive or mixed, mostly during sleep. A retrospective spectral analysis of standard hypoxic exercise test evidenced a ventilatory instability when the control system is submitted to a double stress, physiological (moderate exercise) and environmental (hypoxia, from 2000 to 4800m simulated altitudes). Prospective analyses positively correlated magnitude of the ventilatory oscillations to cardiac output (Q̇c) and ventilation (V̇E), whereas their period is shortened with increasing V̇E and Q̇c. Unlike the one-minute period apneas in CHF and SAS patients, we observed a much shorter period at exercise in hypoxia, between 11 and 12 seconds. Subjects with a higher ventilatory response to hypoxia and a greater sensitivity to CO₂ showed a deeper breathing instability. Hyperoxia and hypercapnia have opposite effects : O₂ inhalation does not alter the system stability, hypercapnia enhances the oscillatory phenomenon. A pharmacological treatment by acetazolamide (ACZ) improves breathing stability, supporting a major role of peripheral chemoreceptors in the genesis of ventilatory oscillations. A mathematical model of ventilation control including, among numerous cardiorespiratory parameters, sensibilities to O₂ and CO₂, peripheral-central interactions, confirms the contribution of hypoxia level and the delay of blood convection between lungs and peripheral chemoreceptors in the oscillations period. It also highlights a potential role of dead space in the onset of breathing instability