Le tonus vagal fait référence à l'activité du nerf vague, une composante fondamentale du versant parasympathique du système nerveux autonome. Ce dernier est en grande partie responsable de la régulation de plusieurs compartiments corporels au repos. Jusqu'il y a peu on pensait qu'il n'était pas sous contrôle conscient, mais des études récentes par la méthode de Wim Hof ont montré que l'activation consciente du système nerveux autonome est possible. L'activité vagale entraîne divers effets, notamment : réduction du rythme cardiaque, vasodilatation/constriction des vaisseaux, activité glandulaire dans le cœur, les poumons et le tube digestif, ainsi que contrôle de la sensibilité, de la motilité et de l'inflammation du tube digestif.
Dans ce contexte, le tonus vagal fait spécifiquement référence à la nature continue de l'action parasympathique de base que le nerf vague exerce. Bien que l'activité vagale de base soit constante, le degré de stimulation qu'il exerce est régulé par un équilibre des activités des versants sympathique et parasympathique du système nerveux autonome. Malgré la dualité décrite, le tonus vagal refléterait principalement le niveau général d'activité parasympathique. Le tonus vagal est généralement considéré dans le contexte des fonctions cardiaques, mais il est également utile pour évaluer la régulation émotionnelle et d'autres processus qui modifient ou sont altérés par l'activité parasympathique.
La mesure du tonus vagal, sa quantification ou son estimation peuvent être effectuées à l'aide de procédures invasives ou non invasives. La stimulation vagale peut se faire par des techniques électriques, soit invasives via des stimulateurs et électrodes implantées chirurgicalement, soit non invasives via des électrodes cutanées placées notamment sur le trajet du nerf dans le cou ou au niveau de l'oreille, y stimulant la branche auriculaire du nerf vague. Des manœuvres vagales permettent, quant à elles, de stimuler transitoirement le tonus vagal.
Certaines techniques non invasives sont largement utilisées, telle la pratique de la cohérence cardiaque qui repose sur l'étude de la fréquence cardiaque et la mesure de la variabilité de cette fréquence cardiaque. Lors d'une séance de cohérence cardiaque, une respiration régulière à un rythme de 6 cycles inspiration-expiration par minute, va moduler la fréquence cardiaque via une action sur le nerf vague. Cette technique fait appel à la notion d'arythmie respiratoire sinusale : l'inspiration accélérant la fréquence cardiaque via une diminution du tonus vagal et l'expiration ayant des effets opposés.
Quantification non invasive du tonus vagal Dans la majorité des cas, le tonus vagal n'est pas directement mesuré. La procédure la plus courante pour sa quantification consiste à étudier les processus altérés par le nerf vague, en particulier la fréquence cardiaque et la variabilité de la fréquence cardiaque. En règle générale, l'augmentation du tonus vagal (et donc de l'activité vagale) est associée à une fréquence cardiaque diminuée et plus variable. La variabilité de la fréquence cardiaque se mesure en comparant l'augmentation de fréquence lors de l'inspiration profonde, par rapport à la diminution lors d'une expiration profonde. Lors du test d'inclinaison orthostatique progressive du corps, la diminution du tonus vagal est physiologique y est décrite comme un indicateur de la bonne santé cardiovasculaire.
Innervation vagale du cœur La fréquence cardiaque est largement contrôlée par l'activité du pacemaker interne cardiaque. Considérant un cœur en bonne santé, le stimulateur principal est une collection de cellules situées à la frontière des oreillettes et de la veine cave, appelée nœud sinusal. Les cellules cardiaques présentent une automaticité, à savoir la capacité de générer une activité électrique indépendante de la stimulation externe (Tissu cardionecteur). En conséquence, les cellules du nœud génèrent spontanément une activité électrique qui est ensuite conduite dans tout le cœur, ce qui entraîne une fréquence cardiaque régulière.
En l'absence de tout stimulus externe, la stimulation du muscle cardiaque par les fibres nerveuses provenant du nœud sinusal contribue à maintenir la fréquence cardiaque dans une plage de 60 à 100 battements par minute (bpm). Dans le même temps, les deux versants du système nerveux autonome (sympathique et parasympathique) agissent de manière complémentaire en augmentant ou en ralentissant la fréquence cardiaque. Dans ce contexte, le nerf vague agit sur le nœud sinusal en ralentissant son rythme, y modulant ainsi activement le tonus vagal. Cette modulation est médiée par l'acétylcholine, un neurotransmetteur, entraînant des modifications en aval au niveau des courants ioniques et du calcium des membranes des cellules cardiaques.
Étant donné que le nerf vague joue un rôle crucial dans la régulation de la fréquence cardiaque en modulant la réponse du nœud sinusal, le tonus vagal peut être quantifié en explorant la modulation de la fréquence cardiaque induite par les changements du tonus vagal. Ce type d'analyse permet d'étudier le tonus vagal au moyen de plusieurs techniques non invasives basées sur la variabilité de la fréquence cardiaque.
Arythmie respiratoire sinusale L'arythmie respiratoire sinusale (ARS) est généralement une variation naturelle et bénigne de la fréquence cardiaque qui se produit à chaque cycle respiratoire. Plus précisément, la fréquence cardiaque augmente pendant l'inspiration et diminue pendant la période d'expiration. L'ARS a d'abord été reconnue par Carl Ludwig, mais sa genèse et sa compréhension sont encore largement discutées. L'ARS est observée chez l'homme dès les premiers stades de la vie et jusqu'à l'âge adulte. De plus, l'ARS est un mécanisme qui peut être systématiquement retrouvé chez plusieurs espèces.
Lors de l'inspiration, la pression intra-thoracique diminue en raison de la contraction et du mouvement descendant du diaphragme (respiration diaphagmatique) et de l'expansion de la cavité thoracique. La pression auriculaire est également abaissée, ce qui permet une augmentation du flux sanguin vers le cœur. Une telle augmentation du volume sanguin vers les cavités cardiaques déclenche la stimulation de barorécepteurs qui diminuent le tonus vagal, accélérant ainsi la fréquence cardiaque.
À l'opposé, lors de l'expiration, le diaphragme se détend et, en montant, le volume de la cavité thoracique diminue, entraînant une augmentation ultérieure de la pression intra-thoracique. Cette augmentation de la pression inhibe le retour veineux dans le cœur, entraînant à la fois une réduction de l'expansion auriculaire et une activation moindre des barorécepteurs. Il s'ensuit que le tonus vagal n'est pas freiné, comme lors de l'inspiration, de sorte qu'il exerce sa pleine capacité à ralentir le rythme cardiaque. vignette|274x274px| Fréquence cardiaque (FC) (première ligne), volume courant (Vt) (deuxième ligne), Vt et FC superposés (troisième ligne). La modulation HR est clairement visible: la fréquence cardiaque augmente avec l'inspiration et diminue avec l'expiration. vignette|274x274px| Fréquence cardiaque (FC) (première ligne), signal ECG (ECG) (deuxième ligne) et respiration (troisième ligne). Enregistrement de 15 secondes chez un nouveau-né. La FC exprime des oscillations synchrones par rapport à la respiration. vignette|274x274px| Estimation de la magnitude RSA basée sur une approche multivariée basée sur une analyse conjointe de l'ECG et de la respiration. La ligne verte indique les variations de la fréquence cardiaque moyennes sur plusieurs cycles respiratoires. Il s'agit clairement d'une tendance à l'augmentation ou à la diminution de la fréquence cardiaque caractéristique du RSA.
L'ARS en tant qu'estimateur de tonus vagal Comme décrit précédemment, il est maintenant établi que les deux versants du système nerveux autonome s'influencent réciproquement et indépendamment, de sorte que de plus en plus de mesures capables de discriminer les deux contributions ont été développées. Ces dernières années, plusieurs études ont été publiées qui soulignaient la mesure de l'ARS en tant qu'outil fiable pour étudier le tonus vagal de manière non invasive. Ces enquêtes englobent des études physiologiques, comportementales ou cliniques. Le principal avantage de la mesure du tonus vagal par l'ARS est que ces informations peuvent facilement être dérivées d'un simple enregistrement électrocardiographique (ECG). Dans le même temps, de nouvelles méthodologies ont commencé à traiter la quantification de l'ARS par une approche multivariée, ne prenant donc pas en compte uniquement l'ECG mais l'interrelation entre l'ECG et la respiration.
La quantification du tonus vagal au moyen de l'ARS a été mise en doute par de nombreux auteurs. Il a été avancé que l'ARS est sans équivoque liée au contrôle vagal mais il est également clair qu'elle est déterminée par deux mécanismes différents, à savoir : le tonus vagal et le composant vagal phasique. Les processus précédents présentent des dynamiques et des origines différentes, de sorte qu'il est crucial de pouvoir différencier leurs contributions à l'ARS. En outre, il a été observé que les composants toniques et phasiques sont distincts mais pas complètement indépendants les uns des autres.
Malgré les limites actuelles de la quantification de l'ARS, on la considère comme un indicateur prometteur, non invasif et fiable du contrôle cardiaque par le nerf vague, constituant donc un estimateur indirect du tonus vagal.
Découvertes biologiques La principale hypothèse susceptible d'expliquer la corrélation entre l'ARS et le tonus vagal décrit l'ARS comme une fonction de repos intrinsèque du système cardiopulmonaire. La théorie suggère que, chez les animaux et les humains, l'ARS pourrait éventuellement contribuer à des économies d'énergie pour les systèmes cardiaque et respiratoire, réduisant ainsi le rythme cardiaque et le nombre de pulsations associées. De plus, l'ARS pourrait économiser des dépenses énergétiques en supprimant toute ventilation inefficace au cours de la perfusion (circulation du sang des artères vers les capillaires afin d'assurer l'oxygénation et la nutrition des tissus).
Dans les domaines physiologiques, on a constaté que l'ARS augmentait chez les sujets en état de repos et diminuait en état de stress ou de tension, augmentait en position couchée et diminuait en position debout. Elle est, en moyenne, plus élevée et plus prononcée le jour par rapport à la nuit. Elle a également été largement utilisée pour quantifier la diminution du tonus vagal lors d'une manœuvre d'inclinaison orthostatique progressive.
En règle générale, l'expression de l'ARS diminue avec l'âge: elle est plus prononcée chez les enfants et son ampleur a tendance à disparaître progressivement avec l'âge. Cependant, les adultes en excellente santé cardiovasculaire, tels que les coureurs d'endurance, les nageurs et les cyclistes, sont susceptibles d'avoir une ARS plus prononcée. Les athlètes professionnels maintiennent en moyenne un tonus vagal très élevé et, par conséquent, des niveaux d'ARS plus élevés. On a constaté qu'elle diminue chez les personnes atteintes de diabète ou de maladies cardiovasculaires.
La majorité des recherches sur le tonus vagal dans le domaine physiologique (comportement social, interactions sociales et psychologie humaine) ont été axées sur les nouveau-nés et les enfants. Le plus rationnel est d'étudier le fonctionnement adaptatif des enfants dans un cadre quantitatif et fiable. Habituellement, les chercheurs concentrent leur attention sur la détection initiale du tonus vagal, qu'ils considèrent comme un prédicteur potentiel du comportement ou examinent sa relation avec la santé mentale (notamment la régulation des émotions, l'anxiété et les troubles d'intériorisation ou d'extériorisation).