Positive effects of chronic physical exercise on cognitive functions in aging people: assessment and prospects

ARTICLE

nrp.2011.0191

Auteur(s) : Michel Audiffren michel.audiffren@univ-poitiers.fr, Nathalie André, Cédric Albinet

Université de Poitiers, Centre de recherches sur la cognition et l’apprentissage, UMR CNRS 6234, MSHS, Université de Poitiers, Bât. A5, 5 rue Théodore Lefebvre, 86000 Poitiers

Correspondance: M. Audiffren

Les effets prophylactiques de l’activité physique sont aujourd’hui reconnus par la communauté scientifique et médicale [1]. On sait, par exemple, que la pratique régulière d’une activité physique d’intensité modérée peut réduire les risques d’apparitions de certaines pathologies, telles que l’obésité incidente, certains types de cancer (principalement du côlon et du sein), le diabète non insulinodépendant, l’ostéoporose et les maladies cardio-vasculaires. Les effets de l’activité ou de l’exercice physique sur la santé cérébrale et cognitive sont moins connus. Ils ont cependant fait l’objet d’une recherche systématique, qui a commencé à se développer à partir des années 1960 et qui s’est intensifiée dès le début du xxi^e siècle. Cet article se restreindra à faire un état des lieux des connaissances scientifiques développées depuis une vingtaine d’années sur les effets chroniques de l’exercice physique sur la santé cérébrale et cognitive des seniors.

Avant de discuter de ce phénomène à proprement parler, il convient de clairement distinguer les effets aigus et les effets chroniques de l’exercice physique sur la cognition. Les effets aigus de l’exercice physique concernent les effets immédiats, ou à court terme, d’une seule période d’activité physique de durée limitée (de quelques secondes à quelques heures) ; par exemple, les effets de la contraction isométrique des muscles de l’avant-bras à 70 % de la force maximale pendant 30 secondes sur l’humeur du sujet, ou les effets de la réalisation d’un jogging de 45 minutes à 70 % de la fréquence cardiaque de réserve (FCR) (voir infra, Caractéristiques des programmes d’activités physiques (…), pour une définition) sur l’efficience des processus de prise de décision mesurés pendant ou juste après l’exercice. Les effets aigus de l’exercice sont transitoires, c’est-à-dire qu’ils commencent à opérer peu de temps après le début de l’exercice et s’interrompent quelques secondes ou quelques minutes après l’arrêt de l’activité physique. On considère généralement que ces effets modulent provisoirement l’activité électrochimique des réseaux neuronaux qui composent le système nerveux central [2].

Les effets chroniques de l’exercice physique concernent quant à eux les effets à long terme d’un programme d’activité physique, pouvant s’étaler sur quelques semaines à plusieurs années, sur la plasticité cérébrale et l’efficience des fonctions cognitives ; par exemple, les effets d’un programme d’étirement de 6 semaines sur l’équilibre postural ou ceux d’un programme de marche nordique de 9 mois sur la mémoire épisodique. On considère que les effets chroniques de l’exercice physique sont des effets durables qui modifient l’anatomie des réseaux de connectivité ou de vascularisation du cerveau (voir infra : Mécanismes sous-jacents). Seuls ces derniers effets nous intéresseront dans le cadre de cet article. En effet, avec l’augmentation du vieillissement démographique en Europe, il convient d’étudier tous les moyens à notre disposition pour prolonger l’autonomie des seniors, et l’activité physique constitue l’une des stratégies possibles de prévention. Nous nous attacherons tout particulièrement à présenter différents arguments scientifiques en faveur d’une influence positive de la pratique régulière de certaines activités physiques sur le vieillissement cognitif. Nous chercherons successivement :

• –. à faire une analyse critique des différents types d’études utilisés pour mettre en évidence ce phénomène ;
• –. à discuter des caractéristiques des programmes d’activités physiques qui semblent produire les effets les plus importants sur la santé cérébrale et cognitive ;
• –. à déterminer si l’effet positif de l’exercice chronique affecte globalement ou sélectivement les fonctions cognitives ;
• –. à suggérer différents mécanismes neurophysiologiques et autres mécanismes alternatifs qui peuvent expliquer ce phénomène ;
• –. à présenter différents modérateurs de cet effet positif de l’exercice chronique ;
• –. à suggérer des moyens pour amener les seniors sédentaires à changer leurs habitudes de vie afin qu’ils pratiquent régulièrement des activités physiques adaptées.

Enfin, différentes pistes de recherche futures seront ébauchées dans la dernière partie de cet article.

Un faisceau d’arguments convaincants

L’effet modérateur de l’activité physique sur le vieillissement cérébral pathologique et non pathologique a été étudié chez l’homme et chez l’animal à l’aide de différents protocoles : études épidémiologiques, longitudinales, transversales et interventionnelles [3, 4]. Les études longitudinales et épidémiologiques, réalisées sur de très grands échantillons de seniors, permettent de déterminer le risque de développer une pathologie ou un déficit fonctionnel en fonction de différents facteurs liés aux habitudes de vie ou au patrimoine génétique d’une ou de plusieurs cohortes de participants. Plusieurs études longitudinales et épidémiologiques, menées en Amérique du Nord et en Europe entre la fin du xx^e et le début du xxi^e siècle, ont ainsi montré que l’activité physique permet de diminuer le risque d’apparition des maladies neurodégénératives (e.g., maladie d’Alzheimer) et de ralentir les effets délétères de l’âge sur les fonctions cognitives. Les principaux résultats de cinq de ces études sont présentés ci-après.

L’étude ACT (Adult Changes in Thought) [5], réalisée aux États-Unis entre 1994 et 2003 dans la région de Seattle sur une population de 1 740 personnes âgées de plus de 65 ans en bonne santé cognitive au départ de l’étude a par exemple montré que le taux de démence est moins élevé chez les personnes qui pratiquent une activité physique à raison de trois séances hebdomadaires ou plus (13 pour 1 000 personnes-années) que pour les personnes qui pratiquent moins de trois fois par semaine (19,7 pour 1 000 personnes-années). Dans le même esprit, l’étude CSHA (Canadian Study of Health and Aging) [6], réalisée au Canada sur un échantillon de 4 615 personnes âgées de plus de 65 ans en 1991 et 1992, puis en 1996 et 1997, a montré que la pratique régulière d’une activité physique pouvait être considérée comme un facteur protecteur contre la maladie d’Alzheimer avec un risque relatif rapproché (odds ratio) de 0,69, soit 31 % de risques en moins de développer cette maladie. L’étude FINE (Finland, Italy, and the Netherlands Elderly) [7], réalisée sur une durée de 10 ans entre 1990 et 2000 dans trois pays européens, a permis de montrer que les fonctions cognitives de 295 personnes âgées de plus de 70 ans, évaluées à l’aide du Mini Mental State Examination (MMSE), ont significativement décliné chez les personnes qui ont diminué leur volume journalier d’activité physique, alors qu’elles sont restées stables chez les participants qui l’ont augmenté. L’étude longitudinale ZES (Zutphen Elderly Study) [8], réalisée dans une ville de l’est de la Hollande, en 1990 puis en 1993, chez 347 personnes âgées de 65 à 84 ans, a montré des résultats très comparables. Le risque relatif rapproché de développer un déclin cognitif, mesuré à l’aide du MMSE, est deux fois plus élevé chez les individus qui pratiquent moins de 1 heure d’activité physique par jour que chez ceux qui ont un volume d’activité physique plus élevé. Enfin, dans l’étude MoVIES (Monongahela Valley Independent Elders Survey) [9], réalisée sur 929 personnes âgées de plus de 65 ans sur un suivi de 3 ans, entre 1991 et 1993, ou de 1993 à 1996, le risque relatif rapproché de déclin cognitif, toujours mesuré à l’aide du MMSE, est plus de deux fois moins élevé chez les individus qui pratiquent une activité physique aérobie de durée supérieure à 30 minutes au moins trois fois par semaine, que chez ceux qui ne pratiquent aucune activité physique.

Comparitivement aux études épidémiologiques, les études transversales sont généralement réalisées sur des échantillons beaucoup plus restreints (10 à 100 participants), et permettent de comparer deux groupes de participants (ou plus) se distinguant par une caractéristique donnée, telle que l’âge et/ou le niveau d’activité physique ou de condition physique. Ces études sont beaucoup moins coÛteuses en temps et en argent que les études interventionnelles. Elles présentent cependant un inconvénient majeur : elles ne permettent pas d’établir un lien de cause à effet entre le niveau d’activité physique ou de condition physique et la santé cérébrale ou cognitive. Ainsi, l’observation d’un effet positif du niveau d’activité physique peut signifier deux choses :

• –. un niveau d’activité physique élevé entraîne une bonne santé cérébrale et cognitive (interprétation la plus évoquée) ;
• –. les personnes ayant une bonne santé cérébrale et cognitive sont plus enclines à pratiquer un niveau élevé d’activité physique (interprétation rarement évoquée).

Dans ces études, les critères de sélection et surtout la méthode d’assignement des participants dans les différents groupes expérimentaux sont déterminants. Les participants sont généralement sélectionnés sur la base de leur dépense énergétique journalière ou hebdomadaire évaluée à l’aide de questionnaires autorapportés ou d’accéléromètres mono- ou triaxiaux ou de leur niveau de condition physique généralement exprimé en termes de volume maximal d’oxygène consommé ( O _2-max), mesuré à l’aide d’un test de laboratoire ou de terrain. La méthode d’assignement des participants est fréquemment basée sur la position de leur score d’activité physique ou de condition physique par rapport à la médiane ou aux premier et troisième quartiles. Le tableau 1 résume les résultats de huit études transversales récentes utilisant des mesures cognitives, psychophysiologiques et/ou neurophysiologiques. Toutes ces études montrent qu’il existe une corrélation positive significative, soit entre le niveau d’activité ou de condition physique et la santé cérébrale mesurée par différents indicateurs neurophysiologiques (volume cérébral, amplitude d’ondes cérébrales, activation d’aires cérébrales), soit entre le niveau d’activité ou de condition physique et les performances cognitives (vitesse et/ou précision des réponses), soit les deux.

Tableau 1 Études transversales récentes sur les effets chroniques de l’exercice sur la santé cérébrale et/ou cognitive.

Échantillons	Mesures de l’activité physique	Mesures de la santé cérébrale et/ou cognitive	Direction de l’effet Variables affectées	Références
55 seniors (55-79 ans)	Test de terrain (Rockport 1 mile)	IRM : densité de matière grise	A > S Densité de matière grise (régions frontales)	Colcombe et al. (2003) [10]
41 seniors (M = 67 ans)	Test de terrain (Rockport 1 mile)	Tâche d’Ericksen, IRMf : activation des aires cérébrales	A > S Gestion de l’interférence Activation du gyrus frontal droit	Colcombe et al. (2004) - étude 1 [11]
34 jeunes adultes (M = 19,4 ans) 32 seniors (M = 64,8 ans)	Questionnaire (YPAS)	Tâche de permutation EEG : P300	A > S TR et amplitude de la P300	Hillman et al. (2006) [12]
64 seniors (M = 72,7 ans) 54 PAP (M = 74,3 ans)	Questionnaire (PASE) Test de laboratoire (O2-max)	Batterie de tâches neuropsychologiques IRM : volume cérébral	A > S Fonctions exécutives et volume cérébral	Burns et al. (2008) [13]
75 seniors (50-78 ans)	Questionnaire (idoine) Test de laboratoire (PMA)	Tâche de mémoire épisodique Neurotrophine G-CSF IRM : volume de matière grise	A > S Encodage en mémoire, G-CSF et volume de matière grise (cortex frontal et cingulaire)	Floel et al. (2010) [14]
72 seniors (62-79 ans)	Batterie de tests évaluant la condition physique	Tâches de vitesse perceptive et de fonctions exécutives IRMf : activation des aires cérébrales	A > S Vitesse perceptive, fonctions exécutives Augmentation de l’activation de différentes régions frontales	Voelcker-Rehage et al. (2010) [15]
15 jeunes adultes (18-37 ans) 30 seniors (60-83 ans)	Questionnaire (LTEQ) Test de terrain (12 minutes)	Tâches sensorimotrices SMT : période de silence IRMf : activation des aires cérébrales	A > S Inhibition interhémisphérique	McGregor et al. (2011) [16]
52 seniors (55-79 ans)	Questionnaire (idoine)	IRM : volume cérébral et régional	A > S Volume cérébral (cortex frontal)	Bugg et Head (2011) [17]
16 jeunes adultes (21-30 ans) 32 seniors (65-77 ans)	Questionnaire (SAPD) Test de terrain (Rockport)	Tâche de vitesse Tâche de fonctions exécutives	A > S Fonctions exécutives	Audiffren et al. (2011) [18]

Rockport 1 mile : test permettant d’estimer la santé cardio-respiratoire au cours duquel les participants doivent parcourir 1 mile en marchant le plus rapidement possible ; IRM : imagerie par résonance magnétique ; A > S : les participants actifs ont une meilleure santé cérébrale et/ou cognitive que les participants sédentaires ; IRMf : imagerie par résonance magnétique fonctionnelle ; YPAS : Yale Physical Activity Survey for Older Adults ; tâche de permutation : tâche permettant d’évaluer la flexibilité cognitive, au cours de laquelle les sujets doivent alterner entre deux consignes en fonction d’un signal préparatoire (dans le cas présent, dire si un chiffre est inférieur à 5 ou s’il est pair ou impair) ; EEG : électroencéphalographie ; P300 : onde cérébrale positive dont la latence se situe autour de 300 ms ; TR : temps de réaction ; PAP : patients Alzheimer prodromaux ; PASE : Physical Activity Scale in the Elderly ; PMA : puissance maximale aérobie ; G-CSF : granulocyte colony stimulating factor ; LTEQ : Leisure-Time Exercise Questionnaire ; SMT : stimulation magnétique transcrânienne ; inhibition interhémisphérique : au cours d’une tâche manuelle, la contraction des muscles de l’avant-bras droit s’accompagne d’une activation du cortex moteur controlatéral et d’une inhibition du cortex moteur ipsilatéral ; SAPD : score d’activité physique de Dijon.

Seules les études interventionnelles conduites selon un plan randomisé contrôlé permettent d’établir un lien de cause à effet entre la condition physique (santé cardio-respiratoire, force musculaire) et la santé cérébrale ou cognitive. Dans ce type d’études, les participants sélectionnés à partir de critères d’inclusion très stricts (e.g., non-contre-indication à la pratique des activités physiques, sédentarité avérée) sont répartis de façon aléatoire dans un nombre réduit de groupes expérimentaux qui subiront des traitements distincts ; par exemple, un premier groupe suivra un entraînement constitué d’exercices visant à améliorer la santé cardio-respiratoire (groupe traitement n^o 1), un deuxième groupe suivra un entraînement comprenant des exercices destinés à augmenter la force musculaire (groupe traitement n^o 2) et, enfin, un troisième groupe suivra un entraînement fait d’exercices de relaxation et d’étirements (groupe contrôle). Les traitements ou, dans le cas présent, les programmes d’activités physiques mis en place dans ce type d’études doivent être soigneusement élaborés. Le tableau 2 résume les principales caractéristiques de ces programmes, que l’expérimentateur doit méticuleusement choisir en fonction des hypothèses qu’il souhaite tester et du budget dont il dispose.

Tableau 2 Principaux paramètres des programmes d’activités physiques dont un expérimentateur doit tenir compte dans l’élaboration d’une étude interventionnelle sur les effets chroniques de l’exercice sur la santé cérébrale et cognitive.

APA : activités physiques adaptées ; FCR : fréquence cardiaque de réserve.

Le choix des activités réalisées par le groupe contrôle est crucial. Il est conseillé de prendre deux groupes contrôles :

• –. un premier groupe contrôle qui ne changera pas ses habitudes de vie pendant toute la durée du programme (pour estimer l’effet de la stimulation occasionnée par les relations sociales au sein d’un groupe) ;
• –. un second groupe contrôle qui pratiquera une activité physique qui n’est pas censée provoquer une amélioration de la santé cérébrale et cognitive.

Le choix des participants est également un élément déterminant de la réussite de l’étude par rapport aux objectifs visés. De façon à se donner plus de chances d’obtenir un effet positif des programmes d’activité physique, il faut choisir des participants ayant un faible niveau d’engagement dans des activités physiques. Ces personnes seront difficiles à convaincre de participer à l’étude (voir infra : Changer les habitudes de vie des seniors), mais elles constitueront la population cible idéale dans une campagne de prévention cherchant à prolonger l’autonomie des seniors. Les études interventionnelles sont coÛteuses en temps et en argent, car elles demandent un suivi, pendant plusieurs mois, de plusieurs groupes de participants par une équipe de professionnels qualifiés dans différents domaines (e.g., professeurs d’activités physiques adaptées, psychologues, neuropsychologues, diététiciens). Elles se déroulent généralement selon la procédure décrite sur la figure 1.

Le tableau 3 présente dix études interventionnelles dont deux seulement sont incluses dans les récentes méta-analyses de Colcombe et Kramer [19], d’Angevaren et al. [20] et de Smith et al. [21]. Une fois encore, toutes ces études présentent des arguments convaincants en faveur d’une influence positive et effective de l’exercice chronique sur le vieillissement cérébral et cognitif.

Tableau 3 Études interventionnelles récentes sur les effets chroniques de l’exercice sur la santé cérébrale et/ou cognitive.

Échantillons	Caractéristiques du programme	Interventions	Mesures de la santé cérébrale et/ou cognitive	Principaux résultats	Références
69 seniors (60-79 ans)	3 × 60 minutes par semaine pendant 6 mois	GT : exercices aérobies à 60-70 % FCR GC : étirements	Tâche d’Ericksen IRMf : activation des aires cérébrales	GT  O2-max (16,1 %) GT  coÛt conflit GT > GC activation GFM GT < GC activation CCA	Colcombe et al. (2004) - étude 2 [11]
29 seniors (M = 67,3 ans)	3 × 40-45 minutes par semaine pendant 6 mois	GT : exercices aérobies GC : étirements	IRM : volume de matière grise	GT  O2-max (10,2 %) GT > GC volume CCA	Colcombe et al. (2006) [22]
62 seniors (M = 68,2 ans)	3 × 60 minutes par semaine pendant 6 mois	GT1 : 80 % d’une RM GT2 : 50 % d’une RM GC : travail sans charge	Mémoire à court terme Attention Mémoire épisodique IGF-1 plasmatique	GT1 et GT2 > GC Force musculaire Sur tous les tests cognitifs IGF-1	Cassilhas et al. (2007) [23]
170 seniors (M = 68,7 ans)	3-4 × 50 minutes par semaine pendant 6 mois	GT : activité physique autogérée GC : vie sédentaire habituelle	Tests cognitifs de la batterie ADAS	GT > GC Score global de la batterie ADAS-Cog	Lautenschlager et al. (2008) [24]
57 seniors (M = 70,2 ans)	3 × 60 minutes par semaine pendant 10 mois	GT : exercices aérobies à 65-80 % FCR GC : étirements	Tâches de TR Test de Stroop WCST	GT > GC O2-max (18 % pour GT) Test de Stroop uniquement	Smiley-Oyen et al. (2008) [25]
24 seniors (M = 70,7 ans)	3 × 60 minutes par semaine pendant 12 semaines	GT : exercices aérobies à 40-60 % FCR GC : gymnastique douce	WCST VFC	GT > GC WCST (erreurs de décision) VFC (hautes fréquences)	Albinet et al. (2010) [26]
37 seniors (M = 66,3 ans)	2 × 60 minutes par semaine pendant 21 semaines	GT : natation et gymnastique aquatique à 60-80 % FCmax GC : relaxation, coordination et étirements	Batteries de 8 tâches sollicitant 3 fonctions exécutives	GT et GC  O2-max (13,9 %) GT > GC Inhibition comportementale Mise à jour MdT	Audiffren et al. (2010) [27]
44 seniors (62-79 ans)	3 × 60 minutes par semaine pendant 12 mois	GT1 : marche soutenue GT2 : coordination motrice GC : relaxation et étirements	Contrôle exécutif Vitesse perceptive IRMf : activation des aires cérébrales	GT1  O2-max (15,7 %) GT1 et GT2  précision GT1 et GT2  activation région préfrontale	Voelcker-Rehage et al. (2011) [28]
62 seniors (50-72 ans)	3 × 50 minutes par semaine pendant 6 mois	GT1 : marche nordique GT2 : gymnastique GC : relaxation et étirements	Mémoire épisodique IRM : volume de matière grise	GT2  mémoire épisodique GT1 et GT2 > GC Volume de matière grise	Ruscheweyh et al. (2011) [29]
120 seniors (M = 66,6 ans)	3 × 10-40 minutes par semaine pendant 12 mois	GT1 : exercices aérobies GC : exercices d’étirement	Mémoire spatiale BDNF plasmatique IRM : volume hippocampique	GT1  O2-max (7,8 %) GT1  volume hippocampe (2 %) Corrélation mémoire et volume	Erickson et al. (2011) [30]

GT : groupe expérimental subissant un traitement supposé améliorer la santé cérébrale et cognitive ; GC : groupe contrôle ; FCR : fréquence cardiaque de réserve ; IRMf : imagerie par résonance magnétique fonctionnelle ; GT   : amélioration significative du score de la variable concernée entre le prétest et le post-test pour le groupe expérimental ; GT   : diminution significative du score de la variable concernée entre le prétest et le post-test pour le groupe expérimental ; coÛt conflit : différence entre les temps de réponse de la condition congruente (signal de réponse et distracteurs identiques) et ceux de la condition non congruente (signal de réponse et distracteurs différents) ; GT > GC : l’amélioration observée entre le prétest et le post-test est plus importante chez le groupe expérimental que chez le groupe contrôle ; O_2-max : volume maximal d’oxygène utilisé par l’organisme au cours d’un exercice d’intensité croissante ; GFM : gyrus frontal médian ; CCA : cortex cingulaire antérieur ; 80 % RM : signifie que le sujet travaille à 80 % de la charge maximale qu’il peut soulever sur une seule répétition ; IGF-1 : facteur 1 de croissance de l’insuline ; ADAS : Alzheimer Disease Assessment Scale ; TR : temps de réaction ; WCST : Wisconsin Card Sorting Test ; erreurs de décision : nombre d’essais pour lesquels le sujet donne une solution erronée au problème posé ; FC_max : fréquence cardiaque maximale ; MdT : mémoire de travail ; VFC : variabilité de la fréquence cardiaque.

De nombreuses études sont également réalisées chez l’animal pour déterminer les mécanismes neurophysiologiques qui sous-tendent les effets observés chez l’humain. Ces études, généralement assez invasives, sont présentées plus loin (Mécanismes sous-jacents).

Caractéristiques des programmes d’activités physiques induisant les effets les plus importants sur les fonctions cognitives des seniors

Nous partirons des caractéristiques listées dans le tableau 2 pour discuter des conditions optimales à mettre en place pour obtenir un effet positif, d’amplitude modérée, de l’exercice sur la santé cognitive des seniors. Nous nous baserons sur les résultats de trois méta-analyses et d’autres publications plus spécifiques pour étayer notre argumentation [19-21]. Le premier paramètre important est la durée du programme d’activités physiques. Étant donné que nous nous intéressons à des effets chroniques susceptibles de modifier l’anatomie de certaines structures cérébrales, il faut suffisamment de temps pour que ces mécanismes se mettent en place et entraînent des effets observables au niveau biologique puis au niveau comportemental. La question est donc ici de déterminer la durée minimale pour observer des effets positifs au niveau comportemental. À notre connaissance, aucune étude ne s’est spécifiquement intéressée à cette question. Seule la méta-analyse de Colcombe et Kramer [19] apporte des éléments précis sur ce point. Se basant sur 18 études interventionnelles publiées entre 1966 et 2001 et conduites sur des échantillons de seniors sans pathologie du système nerveux central, ces auteurs montrent que ce sont les programmes dont la durée excède 6 mois qui donnent lieu aux effets les plus grands (g = 0,674). Il est cependant surprenant de noter que les programmes courts (1 à 3 mois) donnent lieu à des effets d’amplitude significativement plus grande que les programmes de durée moyenne (4 à 6 mois) : respectivement 0,522 contre 0,269. Aucune explication n’est donnée concernant ce paradoxe, mais il est possible que des phénomènes d’apprentissage à court terme et/ou de motivation expliquent en partie les effets plus importants des programmes très courts. Quoi qu’il en soit, il semble que la durée minimale pour obtenir des améliorations significatives et durables de la performance cognitive se situe aux alentours de 3 à 5 mois [26, 27]. Il est très probable que la durée minimale pour observer des effets comportementaux dépend aussi de la fréquence des séances d’entraînement. On peut supposer que plus la fréquence sera importante, plus la durée minimale nécessaire pour observer des effets positifs sera courte.

La fréquence des séances d’entraînement est ainsi un deuxième paramètre déterminant de la réussite du programme d’activités physiques mis en place dans une étude interventionnelle. Il semble exister une relation dose-réponse entre la quantité d’activité physique pratiquée et la santé. L’Institut américain de médecine du sport (American College of Sport Medicine) recommande, par exemple, de pratiquer au moins cinq séances de 30 minutes d’activités physiques d’intensité modérée par semaine ou cinq séances de 20 minutes d’activités d’intensité vigoureuse, ou encore une combinaison équivalente des deux options [31]. L’une des barrières à la pratique régulière d’une activité physique étant la difficulté à participer à d’autres activités concurrentes (par exemple, s’occuper de ses petits-enfants, participer à des activités culturelles ou ludiques), il est capital que le programme d’activités physiques ne soit pas trop contraignant au niveau de l’emploi du temps (voir infra : Changer les habitudes de vie des seniors). Un bon compromis est de proposer cinq créneaux d’activités physiques par semaine et de donner comme consigne de participer au minimum trois fois par semaine en cherchant chaque fois que c’est possible à participer à l’ensemble des cinq séances hebdomadaires.

L’intensité des exercices physiques est le troisième paramètre fondamental du programme d’activités physiques et peut être l’un des deux paramètres les plus critiques du programme avec sa durée. L’intensité est intimement liée au type d’activités proposées. Nous verrons dans la section Mécanismes sous-jacents que différents mécanismes physiologiques, supposés sous-tendre les effets bénéfiques de l’activité physique sur la santé cérébrale et cognitive, nécessitent une intensité d’exercice modérée à vigoureuse. Généralement, l’intensité de l’exercice est exprimée en pourcentage du O_2-max utilisé au cours d’un exercice incrémentiel ou, plus, pratiquement en pourcentage de la fréquence cardiaque maximale (FC_max) ou de la FCR (FCR = FC_max - FC_repos). Toujours selon l’Institut américain de médecine du sport, une intensité faible correspond à 20-39 % de la FCR, une intensité modérée à 40-59 % de FCR et une intensité élevée à 60-84 % de la FCR [31]. En conséquence, l’intensité des exercices dans le groupe traitement doit excéder 40 % de la FCR pour entraîner une amélioration significative de la santé cardio-respiratoire et cardio-vasculaire supposée responsable de la santé cérébrale et cognitive. Inversement, l’intensité doit être inférieure à 40 % de la FCR pour le groupe contrôle. La grande majorité des études interventionnelles recensées dans les trois méta-analyses mentionnées plus haut comparent un groupe traitement pratiquant une activité physique d’intensité modérée à élevée à un groupe contrôle pratiquant une activité de faible intensité.

La durée des séances d’entraînement est un paramètre moins critique mais qu’il convient néanmoins de fixer avec soin. La méta-analyse de Colcombe et Kramer montre, en effet, que les séances de 31 à 45 minutes donnent lieu à un effet significativement plus grand (g = 0,614) que celles de 46 à 60 minutes (g = 0,466) et que celles de 15 à 30 minutes (g = 0,176). Les personnes âgées sédentaires se fatiguant relativement vite, il convient de ne pas dépasser 60 minutes d’entraînement par séance. En général, les séances d’entraînement comprennent trois phases : une phase de préparation, une phase de travail à l’intensité cible (corps de séance proprement dit) et une phase de retour au calme. Considérant les différents éléments mentionnés ci-dessus, il est bon que les séances d’entraînement aient une durée maximale de 60 minutes avec un corps de séance de 30 à 45 minutes.

Le type de séance d’entraînement peut se décliner selon quatre questions :

• –. les séances se déroulent-elles individuellement ou collectivement ?
• –. se déroulent-elles sous la supervision d’un ou de plusieurs professionnels de l’entraînement, ou sous le seul contrôle du participant ?
• –. sont-elles personnalisées ou standardisées pour l’ensemble des participants ?
• –. se déroulent-elles à domicile ou dans des installations extérieures appropriées ?

À notre connaissance, la supériorité d’un type de séance par rapport aux autres, concernant les bénéfices sur la santé cérébrale et cognitive, n’a jamais été clairement montrée dans la littérature. Il est toutefois établi que les bénéfices cardio-respiratoires sont bien plus importants lorsque l’intensité des exercices est individualisée et adaptée aux capacités de chacun [31]. Bien entendu, les séances individuelles standardisées à domicile sous le seul contrôle du participant sont les moins coÛteuses pour le promoteur de l’étude. Elles présentent cependant deux inconvénients majeurs :

• –. il est très difficile de contrôler la qualité et l’intensité des entraînements réellement effectués par les participants ;
• –. le matériel et/ou l’espace à disposition des participants est généralement très limité.

Nous recommandons donc, si les moyens financiers le permettent, des séances collectives, de 20 participants maximum, encadrées par un ou deux professionnels qui personnaliseront les exercices en fonction des caractéristiques individuelles et utiliseront des équipements et des installations adaptés à leurs objectifs. Il est important que les types de séance soient comparables dans le groupe traitement et dans le groupe contrôle, afin de contrôler les interactions sociales et de ne pas introduire de variables confondues. Il faut également prendre soin que le principe de progressivité dans l’augmentation de la charge soit respecté quel que soit le type de séance choisie.

Le type d’exercices et d’activités réalisés au cours des séances doit être compatible avec les objectifs à atteindre en termes d’intensité d’exercice. Par exemple, il est relativement facile de faire travailler des participants à des intensités allant de 40 à 85 % de la FCR avec des activités telles que la marche, le jogging, le cyclisme, la natation ou le ski de fond, qui permettent de développer la capacité et la puissance aérobie. Si l’on souhaite en revanche faire pratiquer une activité d’intensité inférieure à 40 % de la FCR, il faudra plutôt choisir des exercices d’étirement, de coordination intersegmentaire, d’équilibre postural, de prise de conscience du corps que l’on peut trouver dans des activités telles que le yoga, le taï-chi-chuan, la gymnastique douce, l’eutonie ou la méthode Feldenkrais, ces deux dernières activités corporelles insistant sur la relaxation, le contrôle du tonus musculaire, la dissociation segmentaire et/ou la focalisation de l’attention sur les informations somesthésiques et kinesthésiques. La méta-analyse de Colcombe et Kramer montre, par ailleurs, que les programmes combinés d’exercices aérobies et d’exercices de musculation donnent lieu à des effets d’importance significativement plus élevée (g = 0,59) que les programmes seulement constitués d’exercices aérobies (g = 0,41). Ce résultat a été confirmé par la méta-analyse de Smith et al. [25]. Il est enfin important de remarquer que toutes les activités qui viennent d’être listées sont des pratiques individuelles dans lesquelles les activités de coopération et d’opposition entre les participants sont très limitées, voire absentes. Les activités de coopération impliquent de planifier des actions à plusieurs partenaires – comme, par exemple, le développement d’un schéma tactique lors d’une montée offensive ou d’un repli défensif en sport collectif. Les activités d’opposition impliquent de planifier, d’inhiber et de modifier rapidement des actions en fonction du comportement d’un ou de plusieurs adversaires comme, par exemple, dans les sports de combat lors d’une feinte d’attaque réalisée par l’adversaire. On pourrait ainsi très bien envisager d’utiliser des activités collectives d’opposition sollicitant de manière plus importante la vitesse de traitement de l’information et certaines fonctions exécutives telles que la planification, l’inhibition comportementale et la flexibilité cognitive, et d’examiner si ce type d’activités entraîne des effets plus grands sur certaines fonctions cognitives. À notre connaissance, aucune étude ne s’est encore intéressée à cette question chez les seniors.

La colonne de droite du tableau 2 résume les recommandations développées dans cette section et fixe les valeurs des paramètres qui nous paraissent les plus appropriées pour obtenir un effet positif de l’exercice chronique sur la santé cérébrale et cognitive. Ces recommandations sont partagées par d’autres spécialistes du domaine [32].

Sélectivité de l’effet de l’exercice chronique sur les processus cognitifs

Nous avons vu plus haut que l’effet positif de la pratique régulière d’une activité physique sur la cognition était aujourd’hui clairement établi par des études épidémiologiques, transversales et interventionnelles. L’objectif de cette troisième section est d’examiner si l’effet de l’exercice affecte positivement l’ensemble des fonctions cognitives ou s’il affecte seulement certaines d’entre elles. Bien entendu, seules les fonctions subissant un effet délétère du vieillissement cérébral nous intéresseront ici. Par exemple, l’allongement de la vitesse du traitement de l’information observé au cours du vieillissement explique un fort pourcentage de la variance de l’effet de l’âge sur l’ensemble des fonctions cognitives. Ainsi, on pourrait s’attendre à ce que l’allongement de la vitesse de traitement observé avec l’âge soit réduit fortement par les effets positifs de l’activité physique. Selon un autre point de vue, on pourrait s’attendre à ce que ce soient les fonctions exécutives, sous-tendues en grande partie par le cortex préfrontal, celles-là et celui-ci étant tous deux très altérés par le vieillissement cérébral, qui bénéficient le plus des effets de l’activité physique. Enfin, la diminution des performances cognitives observées au cours du vieillissement s’explique aussi largement par une réduction des fonctions sensorielles. On pourrait donc s’attendre, en ce cas, à ce que ce soient les fonctions sensorielles qui bénéficient le plus de l’effet chronique de l’exercice, et, par contrecoup, à ce que l’ensemble des fonctions cognitives s’appuyant sur les fonctions sensorielles soient positivement affectées par l’exercice.

Une fois encore, la méta-analyse de Colcombe et Kramer [19] a été la première à montrer que les différentes fonctions cognitives ne sont pas toutes affectées de la même manière. Dans leur méta-analyse, l’importance des effets de l’exercice était calculée en comparant les performances observées en prétest et en post-test, d’une part, pour le groupe traitement et, d’autre part, pour le groupe contrôle. Ces auteurs distinguaient, par ailleurs, quatre types de tâches :

• –. les tâches de vitesse qui sollicitent des processus sensorimoteurs de bas niveau (e.g., tâche de temps de réaction [TR] simple) ;
• –. les tâches visuospatiales qui sollicitent des processus cognitifs de transformation ou de rappel d’une information visuelle ou spatiale (e.g., tâche de rétention visuelle de Benton) ;
• –. les tâches contrôlées qui nécessitent un contrôle attentionnel mais n’impliquent pas les fonctions exécutives (e.g., tâche de TR de choix) ;
• –. les tâches exécutives qui sollicitent les fonctions exécutives telles que la planification des actions, l’inhibition comportementale, la flexibilité cognitive ou la mise à jour de la mémoire de travail (e.g., tâche d’Ericksen qui sollicite l’inhibition de réponses associées à des signaux non congruents présentés de façon concomitante au signal de réponse).

À partir de cette classification, ils montrent que l’effet de l’exercice est significativement plus grand dans les tâches exécutives (g = 0,68) que dans tous les autres types de tâches dont les amplitudes d’effet ne se distinguent pas significativement les unes des autres : respectivement 0,461 pour les tâches contrôlées, 0,426 pour les tâches visuospatiales et 0,274 pour les tâches de vitesse.

Dans leur méta-analyse, Angevaren et al. [20] se sont basés sur 11 études interventionnelles publiées entre 1989 et 2002, réalisées auprès de seniors sans pathologie du système nerveux central. Ils ont choisi de calculer l’amplitude de l’effet en comparant les performances du groupe traitement et celles du groupe contrôle uniquement en post-test. Ils ont distingué 11 fonctions cognitives :

• –. la vitesse cognitive (e.g., tâche de TR simple ou de choix) ;
• –. la mémoire verbale (e.g., tâche d’apprentissage auditivoverbal de Rey, listes I-V) ;
• –. la mémoire visuelle (e.g., test de rétention de Benton) ;
• –. la mémoire de travail (e.g., tâche d’empan de symboles à rebours) ;
• –. la mémoire à long terme (e.g., tâche de rappel différé) ;
• –. les fonctions exécutives (e.g., test de fluence verbale) ;
• –. la perception (e.g., tâche de reconnaissance faciale) ;
• –. l’inhibition cognitive (e.g., tâche stop dans laquelle le sujet doit interrompre soudainement un processus cognitif ou une action en cours de réalisation) ;
• –. l’attention visuelle (e.g., tâche de recherche de lettres) ;
• –. l’attention auditive (e.g., tâche d’empan de symboles) ;
• –. la fonction motrice (e.g., tâche de tapotement du doigt).

Si l’on prend en compte leurs résultats sur la comparaison entre programmes d’exercices aérobies et programmes d’exercices d’étirement et d’équilibre postural, aucun effet ne s’avère significatif. En revanche, si l’on se base sur la comparaison programmes d’exercices aérobies versus pas d’intervention, on obtient deux effets significatifs : sur l’attention visuelle, avec une amplitude d’effet de 0,52, et sur la fonction motrice, avec une amplitude de 1,17. Enfin, si l’on compare l’effet des programmes d’exercices aérobies à tout autre type d’intervention (programmes d’exercices de musculation, d’étirement et d’équilibre postural, d’entraînement mental ou de séances d’interactions sociales autour de thématiques variées), on obtient là aussi deux effets significatifs : sur la vitesse cognitive (g = 0,24) et sur l’attention visuelle (g = 0,26).

La méta-analyse de Smith et al. [21] portait quant à elle sur un ensemble de 29 essais contrôlés randomisés réalisés sur des échantillons de personnes de plus de 18 ans, avec ou sans pathologie du système nerveux central. L’amplitude de l’effet était là aussi estimée à partir de la comparaison entre groupe traitement et groupe contrôle en post-test. Les auteurs distinguent quatre grands domaines :

• –. l’attention et la vitesse de traitement (e.g., tâche de TR simple et de choix) ;
• –. les fonctions exécutives (e.g., interférence de Stroop) ;
• –. la mémoire de travail (e.g., tâche d’empan de symboles) ;
• –. la mémoire déclarative (e.g., test d’apprentissage auditivoverbal de Rey).

Ces auteurs ont observé un effet positif, de faible ampleur, de l’exercice chronique sur l’attention et la vitesse de traitement (g = 0,158), les fonctions exécutives (g = 0,123) et la mémoire déclarative (g = 0,128). L’effet sur la mémoire de travail n’était pas significatif.

On voit que les résultats de ces trois méta-analyses conduisent à des conclusions radicalement différentes quant à la sélectivité des effets de l’exercice chronique sur les fonctions cognitives. De manière globale, on constate que l’exercice chronique affecte un vaste répertoire de fonctions cognitives. La méta-analyse de Colcombe et Kramer, et certaines études transversales et interventionnelles, suggèrent cependant que certaines fonctions seraient plus sensibles que d’autres à l’effet positif de l’exercice chronique. D’autres études seront requises pour répondre à cette question spécifique, avec au moins trois précautions méthodologiques à prendre. Premièrement, plusieurs mesures de performance peuvent être extraites d’une même tâche cognitive, mais ces différentes variables dépendantes peuvent rendre compte des variations de variables latentes distinctes. Par exemple, dans la tâche de génération aléatoire de chiffres, le score d’adjacence est un bon indicateur de l’efficience des processus d’inhibition du comptage alors que le score de redondance est censé refléter la mise à jour de la mémoire de travail [33]. Il conviendra donc, pour une tâche donnée, de justifier théoriquement le choix d’une variable dépendante particulière dans sa représentativité d’une fonction cognitive cible. Deuxièmement, même si elle reflète une fonction donnée, une mesure de performance extraite d’une tâche n’est pas une pure mesure de cette fonction. Seule une part de sa variance explique la fonction cognitive qu’elle représente. Il sera donc préférable d’utiliser une approche multivariée plutôt qu’univariée dans l’étude de l’effet de l’exercice chronique sur la cognition. Ainsi, l’utilisation d’une batterie de trois tâches cognitives pour chaque fonction cognitive cible paraît appropriée, une analyse factorielle confirmatoire permettant de déterminer le pourcentage de variance expliquée par chacune des trois variables dépendantes sélectionnées. Troisièmement, il semblerait que des tâches cognitives sollicitant la même fonction cognitive n’aient pas la même sensibilité à l’effet de l’exercice chronique. Deux études utilisant une approche multivariée réalisées dans notre laboratoire montrent en effet que pour la fonction d’inhibition, par exemple, certaines tâches montrent un effet significatif de l’exercice chronique alors que d’autres non [27, 34]. Avant d’entreprendre des études interventionnelles coÛteuses sur les effets de l’exercice chronique sur le vieillissement cognitif, il faudra donc être sÛr que les tâches sélectionnées pour représenter une même fonction cognitive sont bien toutes trois sensibles à l’effet de l’exercice chronique.

Mécanismes sous-jacents

Maintenant que le lien de cause à effet entre l’exercice physique chronique et l’amélioration des performances cognitives chez les seniors a été clairement argumenté, il est important d’examiner les différents mécanismes neurophysiologiques ou psychologiques qui peuvent expliquer cette relation. Cinq principaux mécanismes induits par la pratique régulière d’une activité physique ont été évoqués dans la littérature et seront discutés dans cet article :

• –. une augmentation du débit sanguin cérébral régional dans certaines aires corticales ;
• –. une augmentation de la plasticité synaptique ;
• –. une augmentation de la neurogenèse ;
• –. une augmentation des catécholamines cérébrales ;
• –. une augmentation de l’effort investi dans les tâches cognitives.

L’hypothèse de l’augmentation du flux sanguin cérébral, mieux connue sous le nom d’hypothèse circulatoire [25], est certainement le mécanisme le plus souvent évoqué pour expliquer l’effet positif de l’exercice sur le vieillissement cognitif. Elle considère que l’exercice chronique aérobie provoque une augmentation de la perfusion cérébrale et du flux sanguin régional. Au cours du vieillissement cérébral non pathologique chez l’homme, on observe généralement une baisse du flux sanguin cérébral au repos, une diminution de l’activité cérébrale de base, surtout dans les régions frontales, et une baisse du flux sanguin cérébral régional mesuré dans les régions frontales au cours de tâches impliquant un contrôle exécutif [35, 36]. Chez les patients atteints de la maladie d’Alzheimer, il est également courant d’observer un dysfonctionnement cérébrovasculaire provoqué par une angiopathie amyloïde cérébrale qui participe à une hypoperfusion régionale, une réduction du métabolisme cérébral et un déclin cognitif [37]. Quelques études menées chez l’animal [38] et chez l’homme [39] suggèrent que l’exercice aérobie chronique augmente la perfusion cérébrale et conduit à l’apparition de nouveaux capillaires cérébraux, phénomène connu sous le nom d’angiogenèse [3]. Il semble ainsi raisonnable de penser que l’on puisse augmenter la perfusion cérébrale et le flux sanguin cérébral dans certaines régions cérébrales, notamment les zones frontales et pariétales du cortex, par la pratique régulière d’une activité physique d’intensité modérée à élevée. L’intégrité hémodynamique de ces régions, particulièrement vulnérables au déficit de flux sanguin avec l’avancée en âge, et siège des fonctions exécutives, serait ainsi préservée, voire améliorée, par l’exercice physique aérobie. Cela aurait pour conséquence un maintien, voire une augmentation des performances cognitives au cours du vieillissement. Cette hypothèse n’a, jusqu’à présent, reçu que très peu de preuves empiriques directes chez l’homme.

L’hypothèse de l’augmentation de la plasticité synaptique provient initialement des études réalisées chez l’animal sur l’influence de la privation ou de l’enrichissement des stimulations environnementales sur le développement du cerveau, sur les apprentissages et, plus récemment, sur la potentialisation à long terme (PLT). L’un des précurseurs de cette hypothèse est Donald Hebb, neuroscientifique célèbre, également à l’origine de l’hypothèse du renforcement de l’efficacité de la transmission synaptique sous l’effet d’un apprentissage. L’hypothèse de l’augmentation de la plasticité synaptique considère que, sous l’effet de nouvelles expériences sensorielles et motrices liées à la pratique des activités physiques, le réseau de connectivité cérébral va se modifier en créant de nouvelles connexions (synaptogenèse) ou en renforçant l’efficacité de la transmission synaptique de certaines connexions (PLT). Cette hypothèse a déjà reçu de nombreuses vérifications chez l’animal [3] mais jamais chez l’homme. L’induction de ce phénomène serait donc surtout provoquée par la confrontation des participants à de nouvelles tâches sensorimotrices à réaliser, et à de nouveaux problèmes sensorimoteurs à résoudre.

L’hypothèse de l’augmentation de la neurogenèse est relativement récente, car il y a encore quelques décennies, le phénomène de neurogenèse chez l’animal ou l’homme adulte était contesté et peu enseigné. Aujourd’hui, le phénomène est établi chez un nombre limité d’espèces (e.g., rongeurs, primates) et dans un nombre limité de régions cérébrales (e.g., hippocampe, néocortex) [40]. Il a par ailleurs été montré chez l’animal que l’exercice physique chronique facilite la neurogenèse [3] et que ces nouveaux neurones parviennent à s’intégrer dans des réseaux de connectivité tout à fait fonctionnels. Dans cette perspective, Pereira et al. [41] ont observé une neurogenèse au niveau du gyrus denté de l’hippocampe à la fois chez la souris et chez l’homme (jeunes adultes) suite à un programme d’exercices physiques. L’augmentation du volume cérébral était, par ailleurs, corrélée à l’amélioration de la santé cardio-respiratoire et des performances cognitives (tâche d’apprentissage auditivoverbal de Rey). Une étude plus récente d’Erickson et al. [30] ayant montré qu’un programme d’activités physiques aérobies de 6 mois entraîne une augmentation du volume de l’hippocampe de 2 %, associée à une amélioration des performances de la mémoire spatiale, on peut supposer que ce mécanisme de neurogenèse hippocampique ou néocorticale induite par l’exercice chronique participe à l’amélioration de la santé cérébrale et cognitive des seniors.

L’hypothèse de l’augmentation des catécholamines cérébrales, mieux connue sous le nom d’hypothèse dopaminergique, considère que l’exercice chronique aérobie provoque une libération cérébrale de catécholamines (dopamine, noradrénaline) et conduit à la longue à une augmentation des récepteurs dopaminergiques centraux, notamment dans les régions préfrontales. Le vieillissement cérébral s’accompagne généralement d’une détérioration des voies dopaminergiques. Une baisse générale de la concentration de dopamine cérébrale ainsi qu’une baisse du taux de dopamine cérébrale nécessaire au bon fonctionnement des fonctions exécutives ont ainsi été observées chez des personnes ayant un vieillissement cérébral normal [42]. Différentes maladies du système nerveux central liées au vieillissement cérébral (e.g., maladie de Parkinson, maladie d’Alzheimer) sont également caractérisées par une réduction anormale du taux de dopamine dans les noyaux gris centraux, associée à des déficits cognitifs. On sait par ailleurs, grâce à des études menées chez l’homme et chez l’animal, que les performances dans des tâches qui sollicitent les fonctions exécutives préfrontales sont sensibles au taux de dopamine cérébrale [43]. Ainsi, de faibles doses d’agonistes des récepteurs à dopamine D1 améliorent la mémoire de travail et le contrôle de l’attention [44], alors que des niveaux élevés de dopamine cérébrale affectent négativement les fonctions exécutives préfrontales [45]. Enfin, plusieurs études essentiellement menées chez l’animal montrent que l’exercice chronique aérobie augmente le nombre de récepteurs dopaminergiques D2 dans les régions striatales et facilite la synthèse de dopamine cérébrale [3]. Il est donc tout à fait plausible d’envisager que la pratique régulière d’une activité physique aérobie, connue pour induire une libération cérébrale de catécholamines, entraîne avec le temps une modification du taux d’occupation des récepteurs dopaminergiques dans différentes régions cérébrales telles que le cortex préfrontal et le striatum et donc une amélioration des fonctions cognitives fortement sous-tendues par les voies dopaminergiques. Cette hypothèse n’a, à notre connaissance, jamais été testée directement chez l’homme. Elle pourrait cependant l’être grâce, notamment, à l’utilisation de la tomographie par émission de positons (TEP) avec le marqueur ¹⁸F-fallypride, un ligand très sélectif se fixant sur les récepteurs dopaminergiques D2 et D3, afin de mesurer le taux d’occupation de ces récepteurs dans les régions striatales et extrastriatales au repos.

Ces quatre premières hypothèses seraient toutes sous-tendues par un même mécanisme moléculaire connu sous le nom d’hypothèse neurotrophique. Différentes études réalisées chez l’animal montrent, en effet, que l’exercice entraîne la libération de facteurs neurotrophiques qui augmentent la plasticité cérébrale, notamment en participant à l’angiogenèse, la neurogenèse, la synaptogenèse et la synthèse de neurotransmetteurs [3, 46]. Les trois principaux facteurs neurotrophiques identifiés à ce jour sont :

• –. le facteur neurotrophique dérivé du cerveau (brain-derived neurotrophic factor [BDNF]), une protéine déterminante dans la plasticité cérébrale, les apprentissages et la neurogenèse hippocampique ;
• –. le facteur de croissance de l’endothélium vasculaire (vascular endothelial-derived growth factor [VEGF]), une protéine dont le rôle principal est de stimuler l’angiogenèse ;
• –. le facteur de croissance 1 de l’insuline (insulin-like growth factor 1 [IGF-1]), une hormone peptidique sécrétée par le foie, qui stimule la croissance des cartilages, passe la barrière hématoencéphalique et stimule la neurogenèse et l’angiogenèse.

La figure 2 synthétise les principaux mécanismes neurophysiologiques et moléculaires qui pourraient participer à l’amélioration des performances cognitives sous l’effet de la pratique régulière d’activités physiques. D’autres mécanismes moléculaires impliquant, par exemple, l’oxyde nitrique [47] ou les dérivés réactifs de l’oxygène [48] ont été envisagés mais ne seront pas développés ici.

L’hypothèse de l’augmentation de l’effort investi a été évoquée dans différents articles [20] mais n’a jamais été testée expérimentalement jusqu’à maintenant. Elle se distingue des hypothèses précédentes, car elle fait appel à un mécanisme psychologique pour expliquer l’effet positif de l’exercice chronique sur certaines tâches ou fonctions cognitives. Cette hypothèse considère que des individus confrontés à un programme d’activités physiques qui demande un engagement conséquent développent des compétences et des métacognitions dans le domaine de la gestion de l’effort mental. Ces dernières seraient ensuite réinvesties lors de la réalisation de tâches cognitives nécessitant un investissement en effort mental. La mise à l’épreuve de cette hypothèse nécessitera la mesure de l’investissement en effort mental au cours des tâches cognitives ainsi que la mesure des métacognitions relatives à l’effort mental en prétest et en post-test.

Tous les mécanismes explicatifs évoqués ci-dessus ne sont bien entendu pas exclusifs et peuvent très bien coexister selon les caractéristiques du programme d’activités physiques mis en place. Il conviendra dans l’avenir d’inclure des mesures neurophysiologiques et psychophysiologiques en liaison avec les différentes hypothèses listées plus haut afin d’examiner, grâce à l’utilisation d’analyses de régression, la contribution relative de chacun de ces mécanismes à l’amélioration des performances cognitives chez les seniors suite à un programme d’activités physiques.

Modérateurs des effets positifs de l’exercice chronique sur le vieillissement cognitif et cérébral

Différents facteurs peuvent atténuer ou amplifier la relation supposée directe entre l’exercice chronique et le vieillissement cérébral et cognitif. Ces facteurs sont communément appelés des modérateurs. Deux modérateurs de cette relation de cause à effet ont été mis en évidence par la méta-analyse de Colcombe et Kramer [19]. Le premier facteur est l’âge des seniors, la question étant de savoir si l’ampleur de l’effet positif de l’exercice chronique est plus importante chez des jeunes seniors (55 à 65 ans), des seniors d’âge médian (66 à 70 ans) ou des vieux seniors (71 à 80 ans). La méta-analyse montre que l’effet est significativement plus important chez les seniors d’âge médian (g = 0,693) que chez les vieux seniors (g = 0,549) ou les jeunes seniors (g = 0,298), l’effet étant aussi significativement plus grand chez les vieux seniors que chez les jeunes seniors. Ces données ont été confirmées dans une étude transversale réalisée dans notre laboratoire [34]. L’effet de l’activité physique était significativement plus important chez 30 vieux seniors (71 à 81 ans) que chez 30 jeunes seniors (60 à 70 ans) pour deux fonctions exécutives : l’inhibition comportementale et la mise à jour de la mémoire de travail. Cela suggère que l’organisme serait plus sensible aux effets positifs de l’exercice à partir de 65 ans, que cet effet se prolonge jusqu’à un âge avancé et qu’il est donc recommandé de continuer à pratiquer une activité physique avec l’avancée en âge.

Le deuxième modérateur mis en évidence par Colcombe et Kramer est le sexe des participants. Leur méta-analyse met en effet clairement en évidence que les femmes sont significativement plus sensibles à l’effet positif de l’exercice chronique (g = 0,604) que les hommes (g = 0,150). Cet effet modérateur du sexe pourrait être expliqué par le fait que certaines femmes suivent un traitement hormonal de substitution à base d’œstrogènes après la ménopause, et que ce traitement agit sur la fabrication intracérébrale de BNDF et magnifie l’effet chronique de l’exercice sur la santé cérébrale et cognitive. Une étude d’Erickson et al. [49] a confirmé cette hypothèse. Parmi 54 femmes âgées de 54 à 80 ans, ce sont celles qui avaient suivi un traitement hormonal de substitution de courte durée et qui avaient la meilleure condition physique qui ont montré les effets bénéfiques les plus élevés au niveau du volume cérébral de matière grise des cortex préfrontaux droit et gauche et des performances au test de classement de cartes du Wisconsin (moins d’erreurs de persévération). Il est également intéressant de noter, d’une part, qu’un traitement hormonal de longue durée était associé aux performances les moins bonnes au test du Wisconsin et au volume de matière grise le plus réduit dans les deux cortex préfrontaux et, d’autre part, qu’une bonne santé cardio-respiratoire parvenait à compenser cet effet délétère.

Le troisième modérateur concerne les habitudes alimentaires des participants, la question étant de savoir si celles-ci peuvent affecter l’amplitude de l’effet de l’exercice chronique sur le vieillissement cérébral et cognitif. Depuis 5 ans environ, différentes études ont mis en évidence que le régime alimentaire peut influencer spécifiquement certains mécanismes moléculaires impliqués dans le fonctionnement cognitif [50]. Par exemple, un régime riche en acide gras oméga-3, tel que l’acide docosahexaénoïque (DHA) que l’on peut trouver dans les poissons gras et le krill (une sorte de crevette vivant dans l’océan Atlantique) semble avoir des effets positifs sur les processus cognitifs chez l’homme [51] et interagir positivement avec l’effet de l’exercice sur la plasticité synaptique [52]. Un apport alimentaire important de fruits, de légumes et de flavonoïdes, sources d’antioxydants, a également été associé à de meilleures performances cognitives et à un moindre risque de maladie d’Alzheimer [53]. L’activité physique augmentant le stress oxydant, un apport adéquat en nutriments antioxydants devrait potentialiser ses effets. Par ailleurs, l’apport énergétique journalier total est très lié à l’activité physique. Or, certaines études ont montré qu’un apport énergétique excessif était associé à un risque accru de maladie d’Alzheimer, surtout chez les porteurs de l’apolipoprotéine E epsilon 4 (APOE*4) [54]. Il est donc tout à fait possible que les habitudes alimentaires puissent magnifier les effets positifs de l’exercice chronique sur le vieillissement cérébral et cognitif. À notre connaissance, une seule étude réalisée par Wu et al. chez l’animal [52] a examiné le rôle modérateur du régime alimentaire sur l’effet positif de l’exercice. De futurs essais contrôlés randomisés réalisés chez l’homme seront indispensables pour tester cette hypothèse particulièrement intéressante.

Le quatrième modérateur concerne le patrimoine génétique des participants et constitue en fait une famille de modérateurs liés à trois polymorphismes génétiques susceptibles d’interagir avec les effets positifs de l’exercice chronique. Le premier polymorphisme, celui du gène de l’APOE, favorise le développement de l’athérosclérose et des maladies cardio-vasculaires [55]. Il a été montré que les individus porteurs de l’allèle APOE*4 et ayant un faible niveau d’activité physique présentaient un risque plus élevé de développer un déclin cognitif et la maladie d’Alzheimer au cours du vieillissement [5, 6, 8]. Une étude récente suggère même que l’effet positif de l’exercice physique chronique sur la cognition est plus important chez les individus porteurs du génotype APOE*4 [56]. Cependant, ces résultats relatifs au rôle modérateur du polymorphisme de l’APOE sur les effets de l’exercice chronique restent très controversés et des études interventionnelles sont nécessaires pour confirmer cette hypothèse.

Le deuxième polymorphisme susceptible de jouer un rôle modérateur dans la relation exercice-vieillissement cérébral et cognitif est celui du gène du BDNF. Son implication est fortement suggérée par les mécanismes neurophysiologiques qui sont supposés sous-tendre l’effet positif de l’exercice sur la plasticité cérébrale (voir section 4). Le gène du BDNF peut posséder un allèle méthionine (Met) ou valine (Val). Plusieurs études récentes ont montré que les performances cognitives et le volume cérébral étaient réduits chez les porteurs de l’allèle Met par comparaison à ceux des homozygotes Val [57]. Il a par ailleurs été montré que la concentration intracérébrale de BDNF augmentait significativement avec la pratique régulière d’une activité physique [46], ainsi qu’avec la restriction alimentaire ou les régimes riches en acides oméga-3 [50]. Les effets de l’activité physique pourraient donc interagir avec le polymorphisme du gène du BDNF et le régime alimentaire. À notre connaissance, aucune étude n’a encore cherché à tester ces hypothèses.

Le troisième polymorphisme possiblement modérateur de la relation causale exercice chronique-santé cérébrale et cognitive est celui du gène de la catéchol-O-méthyltransférase (COMT), la principale enzyme responsable du catabolisme de la dopamine intracérébrale qui affecte les fonctions exécutives et la physiologie du cortex frontal [57]. Les individus possédant un allèle Met au codon 158 auraient une faible activité enzymatique de la COMT, et donc une diminution de la métabolisation de dopamine conduisant à des concentrations locales plus élevées, alors que ceux possédant un allèle Val auraient une activité élevée de cette même enzyme. La dopamine est un neurotransmetteur déterminant dans de nombreuses fonctions cognitives comme, par exemple, les fonctions exécutives [43] et le fonctionnement de la mémoire épisodique chez la personne âgée [58]. Le gène de la COMT déterminerait donc la concentration de dopamine corticale et les performances dans différentes tâches cognitives. Plusieurs études, utilisant l’imagerie cérébrale chez l’homme, confirment cette hypothèse [59]. Des études réalisées chez l’animal ayant montré que la pratique régulière d’une activité physique induisait une augmentation de la concentration intracérébrale de dopamine [60], il est possible que l’effet positif de l’exercice chronique sur les fonctions exécutives varie en fonction du polymorphisme du gène de la COMT. À notre connaissance, une seule étude s’est jusqu’à présent intéressée à cette question et confirme le rôle modérateur de ce polymorphisme sur l’influence positive de l’activité physique sur la santé cognitive [61].

Le dernier facteur modérateur de la relation activité physique-vieillissement cérébral et cognitif dont il nous paraît important de parler ici est la réserve cognitive. Selon Stern [62], on peut distinguer deux types de réserves :

• –. la réserve cognitive qui peut être utilisée par les personnes ne présentant aucune pathologie du système nerveux ;
• –. les mécanismes de compensation utilisés par les personnes ayant subi des lésions du système nerveux [63].

Dans cette perspective, le concept de réserve cognitive peut être défini comme la capacité à utiliser différentes stratégies cognitives afin d’optimiser la performance en faisant appel à des réseaux neuronaux alternatifs pour atteindre le but de la tâche. La compensation correspond quant à elle à l’utilisation de structures et de réseaux neuronaux normalement non utilisés afin de compenser des déficits provoqués par des lésions du système nerveux central. La réserve cognitive se constitue tout au long de la vie sur la base de notre éducation et des activités culturelles et professionnelles que nous pratiquons, et s’évalue généralement à l’aide de questionnaires autorapportés. Une hypothèse possible serait que plus le niveau de réserve cognitive est élevé, moins l’effet de l’exercice est important. L’expérience accumulée au cours de la vie par la pratique des activités physiques est une façon de constituer la réserve cognitive. L’apprentissage des mathématiques, d’une ou de plusieurs langues étrangères, et l’acquisition de connaissances au cours du parcours scolaire et universitaire sont d’autres moyens de constituer la réserve cognitive. L’hypothèse présentée ci-dessus considère que la réserve cognitive est limitée, quel que soit le moyen utilisé pour atteindre sa capacité maximale. Ainsi, si la réserve cognitive d’un individu est proche de sa capacité maximale grâce aux connaissances accumulées au cours de son parcours scolaire et universitaire ou de sa vie professionnelle, les activités physiques qu’il pratiquera après le départ en retraite auront moins d’impact que chez un individu dont la réserve cognitive est réduite. Cette hypothèse n’a jamais été testée à notre connaissance et mériterait de l’être dans l’avenir.

Changer les habitudes de vie des seniors

Les campagnes de sensibilisation, d’incitation ou de prévention destinées à informer et à sensibiliser les seniors sur l’intérêt d’une pratique régulière d’activités physiques pour prolonger la santé sont indispensables et de plus en plus fréquentes. Toutefois, malgré un intérêt initial, les personnes éprouvent généralement des difficultés à maintenir un programme régulier d’exercices physiques. Le problème du maintien d’une activité physique, également appelé adhésion, reste donc central. L’adhésion doit être envisagée comme un processus temporel allant de l’initiation d’un comportement nouveau à son maintien dans le temps. Parmi les modèles les plus employés dans les approches thérapeutiques, deux semblent émerger :

• –. les modèles basés sur les étapes ou les phases de changement de comportement (e.g., modèle transthéorique) [64] ;
• –. les modèles axés sur les intentions à changer de comportement (e.g., modèle du comportement planifié) [65].

Afin de faciliter la compréhension du rôle des intentions dans le processus de changement, partons de l’idée selon laquelle tout changement de comportement ne peut être envisagé qu’en relation avec les attitudes qui les sous-tendent. Par exemple, le sentiment de vulnérabilité face à la maladie (e.g., le cancer des poumons) détermine la force de l’intention d’entrer dans un changement de comportement (e.g., l’arrêt du tabac). Une méta-analyse conduite par Webb et Sheeran [66] a montré que la force de la relation intention-comportement dépendait de certains modérateurs tels que :

• –. le contrôle que pense avoir la personne sur la mise en place du nouveau comportement (contrôle volitionnel) ;
• –. la force de l’habitude d’un comportement problématique (e.g., la sédentarité) ;
• –. le type de comportement (s’engager dans une activité pour avoir une meilleure santé versus stopper un comportement à risque).

Parmi les modèles axés sur les intentions, la théorie du comportement planifié [65] et les techniques associées (e.g., soutien social et récompenses) sont ceux qui permettent d’obtenir les changements les plus importants. Toutefois, la rechute n’est pas directement envisagée dans les méthodes interventionnelles basées sur les intentions. Certaines études mériteraient d’être menées sur l’impact des méthodologies d’intervention sur le type de comportement à changer. Il s’agirait alors de développer des interventions axées sur le renforcement du contrôle comportemental chez les seniors. Plus particulièrement, les méthodes favorisant la spécification de buts progressifs, ainsi que la mise en œuvre des intentions, semblent montrer les effets les plus importants sur le changement de comportement [67]. Par exemple, au lieu de formuler l’intention « J’ai le projet d’aller courir ce week-end », la planification suivante est préférable « Lorsque je rentrerai du marché dimanche, j’irai courir 20 minutes autour du parc ».

Parmi les différents modèles de changement de comportement, le modèle transthéorique proposé par Prochaska et DiClemente [64] est sans doute le plus exploité. Une méta-analyse réalisée par Marshall et Biddle [68] montre qu’aux différentes étapes de changement est associé un niveau de pratique d’activité physique. Autrement dit, plus une personne progresse dans les stades, plus sa pratique d’activité physique est importante. La problématique repose ici essentiellement sur les moyens dont dispose le thérapeute, le chercheur ou l’éducateur pour favoriser l’adhésion et éviter la rechute. Parmi ces moyens, les auteurs citent l’efficacité personnelle (i.e., confiance à réaliser un nouveau comportement) et la balance décisionnelle (i.e., les avantages et les inconvénients d’un comportement à adopter). Toutefois, sans remettre en question l’importance de ces variables, Marshall et Biddle suggèrent de remplacer les études transversales par des études interventionnelles. En effet, des biais méthodologiques relatifs aux études transversales pourraient expliquer que certaines études portant sur les seniors montrent des effets moins importants sur ces deux variables qu’une population plus jeune.

Si le modèle transthéorique et le modèle du comportement planifié se distinguent, d’une part, sur la base des variables psychologiques permettant de prédire le changement de comportement (intention versus prise de décision) et, d’autre part, sur les modèles interventionnels, ils se rejoignent en revanche sur la nécessité de mesurer les stratégies de contrôle volitionnel lors de l’adhésion à un nouveau comportement. Ces stratégies correspondent aux pensées et/ou aux comportements qui sont dirigés vers le maintien de sa propre intention d’atteindre un but spécifique face à des distractions à la fois internes et externes, et elles sont le résultat d’un apprentissage antérieur. Par conséquent, dans le cadre d’un programme interventionnel destiné à maintenir l’effort investi dans des exercices physiques, ces stratégies renseignent sur l’intention de s’engager et de maintenir l’investissement personnel. Prenons, par exemple, un senior sédentaire qui déciderait de changer une habitude de vie et de passer de la sédentarité à la pratique régulière d’une activité physique. Les stratégies volitionnelles qu’il pourrait mettre en place pour maintenir cette nouvelle activité le plus longtemps possible pourraient être les suivantes :

• –. trouver un lieu près de chez lui dans lequel il pourra pratiquer cette activité physique (contrôle environnemental) ;
• –. faire régulièrement des rappels en mémoire du bien-être qu’il a éprouvé pendant ou après les séances d’entraînement afin de faciliter sa mémorisation des sensations de plaisir associées à la pratique d’une activité physique (contrôle de la récupération) ;
• –. s’engager dans des dialogues internes destinés à se convaincre qu’il possède les capacités nécessaires pour réaliser les exercices proposés et ainsi réduire son anxiété (contrôle des émotions) ;
• –. se promettre quelques récompenses s’il parvient à pratiquer pendant au moins 30 minutes (contrôle de la motivation).

Si le rôle de l’éducateur ou du thérapeute est important dans la mise en place de ces stratégies, l’objectif ultime est de rendre la personne autonome dans la gestion de sa vie physique.

Toutes ces études menées sur les changements de comportement dans un but thérapeutique ou de prévention montrent, quel que soit le modèle utilisé, l’importance de la prise en compte des variables motivationnelles dans un essai contrôlé randomisé s’intéressant aux effets de l’exercice chronique sur la santé cérébrale et cognitive chez des personnes sédentaires.

Conclusions et perspectives

L’existence d’un effet positif de la pratique régulière d’une activité physique sur la santé cérébrale et cognitive des seniors n’est aujourd’hui plus discutée. De nombreux essais contrôlés randomisés confirment, par ailleurs, le lien de cause à effet entre l’exercice chronique et l’amélioration des performances cognitives. La taille de l’effet, bien que faible à modérée, atteste de l’intérêt scientifique qui doit être porté à ce phénomène. L’ensemble des mécanismes neurophysiologiques envisagés pour expliquer cet effet prophylactique de l’activité physique sur la plasticité cérébrale atteste de son caractère plausible et rationnel. Enfin, les conséquences très positives qu’il semble induire sur la préservation de l’autonomie des seniors, le ralentissement du vieillissement cérébral pathologique et non pathologique, la réduction des risques d’apparition de neuropathologies et l’amélioration de la qualité de vie des personnes âgées montrent également tout son intérêt sur le plan clinique, économique et social.

Toutes les questions relatives à la compréhension de cet effet neuroprophylactique de l’exercice chronique ne sont, cependant, pas résolues. Nous avons vu qu’une méthodologie rigoureuse et complexe doit être mise en place pour garantir la qualité des essais contrôlés réalisés chez l’homme. Notamment, la définition des caractéristiques des programmes d’activités physiques, le contrôle de différents facteurs modérant la relation entre exercice et cognition (habitudes alimentaires, traitement hormonal de substitution chez les femmes ménopausées, polymorphismes génétiques en lien avec la santé cérébrale, réserve cognitive), la sélection d’une batterie de tâches cognitives sollicitant fortement des fonctions cognitives précises et sensibles aux effets de l’exercice, l’enregistrement concomitant de plusieurs variables biologiques, neurophysiologiques et psychophysiologiques qui peuvent permettre d’élucider les mécanismes qui sous-tendent ce phénomène et ainsi mieux prescrire les exercices nécessaires pour augmenter la plasticité cérébrale. Enfin, il est important de prendre en compte les processus motivationnels qui vont intervenir dans l’adhésion des participants aux programmes d’activités physiques et dans la force de leur engagement dans les exercices proposés afin d’augmenter l’amplitude de l’effet de l’exercice et de limiter les abandons.

Dans les années à venir, pour prolonger les réflexions précédentes, il nous semble important de répondre aux questions suivantes chez l’homme :

• –. Combien de temps vont persister les effets bénéfiques de l’exercice après l’arrêt du programme d’activités physiques ?
• –. Les effets combinés d’un programme d’activités physiques aérobies et d’un entraînement mental (atelier mémoire) sont-ils sous-additifs, additifs ou sur-additifs ?
• –. Les effets combinés d’un programme d’activités physiques aérobies et d’un régime alimentaire riche en antioxydants et en acide gras polyinsaturés sont-ils sous-additifs, additifs ou sur-additifs ?
• –. Quelle est la contribution de chacun des mécanismes évoqués plus haut dans l’effet positif de l’exercice chronique sur la santé cérébrale et cognitive ?
• –. Quelle est l’efficacité réelle de l’exercice physique dans la prévention et le traitement de certaines pathologies du système nerveux central tels que la maladie d’Alzheimer, la maladie de Parkinson, les accidents vasculaires cérébraux ?

Conflits d’intérêts: Aucun.

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