CHAPITRE N 1 : L ORGANISATION DE L ŒIL ET LE CRISTALLIN

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1 CHAPITRE N 1 : L ORGANISATION DE L ŒIL ET LE CRISTALLIN ORGANISATION ANATOMIQUE DE L ŒIL TP n 1 I- Voici quelques légendes Bilans: - l'oeil est l'organe de la vue, il est composé de plusieurs structures emboîtées les unes dans les autres dont les plus internes sont transparentes 3 membranes : - la sclérotique, enveloppe résistante qui borde l'oeil. Elle s'amincit et devient transparente en avant de l'oeil. Elle forme la cornée. - la choroïde est une couche pigmentée qui fonctionne comme une chambre noire (cf physique-chimie). En avant, elle donne l'iris (qui détermine la couleur des yeux". L'espace libre entre les bords de l'iris s'appelle la pupille. Son diamètre varie en fonction de l'éclairement (rétracté/dilaté). -la rétine est la couche de cellules la plus interne sur laquelle se forme les images. Nous l'étudierons plus en profondeur dans le TP n 2.

2 3 systèmes transparents : - le cristallin, au centre de l'iris (légèrement en arrière), fonctionne comme une lentille biconvexe permettant de focaliser une image vers la rétine Le cristallin est souple et est équipé de muscles ciliaires, ce qui permet l accommodation : c est une adaptation de la vergence qui permet notamment la vision de près On distingue aussi deux milieux: l'humeur aqueuse en avant de l'oeil, et l'humeur vitrée en arrière du cristallin. 2. Formation des images au niveau de la rétine Voir doc. du livre et cours de physique

3 3. Un milieu transparent, le cristallin Le cristallin est un organe vivant non vascularisé. Il est constitué de cellules qui se divisent et ont une activité métabolique. Ces cellules responsables de la transparence du cristallin ont des caractéristiques très particulières : Les cellules se forment par mitoses en périphérie du cristallin puis sont poussées par les jeunes cellules vers le centre du cristallin. Les cellules se multiplient pendant la vie embryonnaire, très peu sont formées après 20 ans. Elles ne sont jamais remplacées : la structure du cristallin n est donc jamais renouvelée. Au cours de l évolution, les cellules perdent leur noyau et les organites. Le cytoplasme se présente alors sous forme d un gel de protéines (les cristallines) formant un réseau cristallin transparent. Les cellules du cristallin reçoivent les éléments nécessaires à leur métabolisme (eau, glucose, ions) des humeurs vitrée et aqueuse. Elles possèdent dans leur membrane des aquaporines (protéine canaux) et des connexons (protéines qui connectent les différentes cellules entre elles). A maturité, les cellules du cristallin forment des lames transparentes de 1cm de long pour 10 µm de largeur et 4.5µm d épaisseur. Les anomalies du cristallin : La cataracte se manifeste par une opacification progressive du cristallin. La cause est liée à une précipitation des protéines du cytoplasme des cellules (les cristallines) et un manque d adhérence entre les cellules du cristallin (absence de connexons). De l eau remplit les espaces intercellulaires. La cataracte nécessite une opération, avec mise en place d un implant artificiel. Elle reste la première cause de cécité dans le monde (18 millions de personnes selon l OMS)

4 Conclusion : Le cristallin est l un des systèmes transparents de l œil humain. Il est formé de cellules vivantes sans noyau et sans organites, composées de protéines cytoplasmiques à l origine de la transparence de ce système. Des anomalies liées au vieillissement du cristallin expliquent certains défauts de vision comme la presbytie et la cataracte. CHAPITRE N 2 : LA RETINE ET SES PHOTORECEPTEURS, L HISTOIRE D UNE EVOLUTION

5 I- Organisation et fonctionnement de la rétine La rétine est organisée autour de plusieurs types cellulaires: 1. les cellules photo réceptrices (cônes et bâtonnets) qui captent la lumière. Etrangement, cette couche est la plus profonde de la rétine. La lumière doit donc traverser tous les autres types cellulaires avant de l'atteindre. 2. Les neurones bipolaires qui recueillent les informations de plusieurs cellules photoréceptrices et les transmettent aux neurones ganglionnaires dont les axones se rejoignent pour former le nerf optique. Les photorécepteurs, possédant un pigment dans leur segment externe, constituent les récepteurs sensoriels de la vision. Leur stimulation par la lumière entraîne la production d un message nerveux, de nature électrique, interprétable par le cerveau

6 3- Deux types de photorécepteurs complémentaires Il existe deux types de photorécepteurs, les bâtonnets et les cônes : Les bâtonnets, plus nombreux en périphérie de la rétine, permettent une vision dans des conditions d'éclairement très faible mais sans perception des couleurs et avec une acuité médiocre. Les cônes sont plus abondants dans la partie centrale de la rétine (notamment la fovéa qui ne comprend que des cônes). Leur fonctionnement exige une luminosité importante. Ces photorécepteurs permettent la vision des couleurs, avec une grande acuité. Ces deux types de photorécepteurs sont complémentaires et assurent une vision même pour de faible éclairement. 4- Des zones particulières de la rétine. La zone de la rétine où se concentre les cônes se nomme la fovéa (ou tache jaune). Cette zone de la rétine se caractérise donc par: - la densité élevée des cônes - le déplacement des neurones bipolaire et ganglionnaire en périphérie

7 - le câblage neuronal: un cône est relié à un neurone bipolaire lui même relié à un neurone ganglionnaire Ces caractéristiques expliquent que la fovéa soit le point de la rétine présentant l'acuité visuelle maximale. Enfin, l'expérience de Mariotte met en évidence l'existence d'un point aveugle: Ce point aveugle correspond à une zone périphérique du champ de vision et son analyse plus poussée révèle qu'il s'agit du point de sortie du nerf optique; c'est à dire du rassemblement de l'ensemble des axones des neurones ganglionnaires. II- Les pigments rétiniens (opsines) et la vision des couleurs 1) Des cellules spécialisées : La vision des couleurs chez l Homme met en jeu trois types de cônes, contenant chacun un pigment protéique spécifique, nommé l opsine S, M, ou L pour Long, Middle et Short Wavelength Sensitive).

8 Chaque opsine présente un maximum d absorption de la lumière, respectivement situé dans le bleu, le vert, le rouge. C est l excitation relative des différents types de cônes qui permet de restituer les millions de nuances colorées auquel l œil est sensible. La vision dans l espèce humaine est trichromatique : chaque couleur perçue est le résultat d un mélange en proportion variable des trois couleurs primaires captées par ces trois types de cônes. La rhodopsine (pigment des bâtonnets) et les opsines ( pigment des cônes) sont des protéines codées par des gènes. Plusieurs mutations peuvent rendre l un de ces gènes défectueux. Le daltonisme est une anomalie génétique due à une mutation de l'un des gènes codant pour les opsines des cônes. 2) La transmission de l info au cerveau La réception du signal lumineux est assurée par les pigments visuels Le récepteur des photons est constitué par l association d une protéine, l opsine, et d un chromophore, le 11-cis retinal. Chez l homme, il existe quatre pigments différents définis par quatre protéines différentes associées au même chromophore. Ainsi, c est la protéine qui détermine les caractéristiques physiques de la lumière perçue. - La rhodopsine est spécifiquement portée par les bâtonnets - Les cônes possèdent des pigments sensibles à des longueurs d onde différentes et permettent ainsi la vision des couleurs. Chaque cône n exprime qu un seul des trois pigments. On connaît un pigment sensible au bleu, au rouge et au vert. Quand un photon arrive au niveau des photorécepteurs, il interagit avec le pigment, entraînant un changement de conformation du 11-cis rétinal transformé en touttrans rétinal. Ce dernier ne peut plus dans cette conformation être lié à la protéine. Il s ensuit une série de transformations chimiques conduisant à une activation de la protéine et à sa séparation du tout-trans rétinal. L opsine activée entraîne une activation d une autre protéine, la transducine, apparentée à la famille des protéines G. La transducine à son tour active une phosphodiestérase qui entraîne une chute du taux intra-cellulaire de GMP cyclique( guanosine monophosphate cyclique). Le GMP cyclique assure l ouverture de canaux sodiques membranaires ; ainsi, la chute de son taux cellulaire conduit à la fermeture de ces canaux et par suite à une hyperpolarisation cellulaire. Le résultat de cette hyperpolarisation est une

9 diminution de la transmission synaptique avec les cellules bipolaires. Le photon entraîne donc une inhibition de la transmission synaptique, c est-à-dire un message négatif. La transduction du signal fait intervenir de nombreux messagers successifs permettant l amplification du signal. En effet, la réception d un seul photon conduit à la fermeture de plusieurs centaines de canaux sodiques. III- LES PHOTORECEPTEURS, PRODUITS DE L EVOLUTION Les pigments rétiniens des cônes (de nature protéique) sont codés par des gènes. Les différents gènes d opsine (= gènes codant les opsines S, M, L) de l espèce humaine présentent de grandes similitudes. Ces gènes résultent de l évolution d un gène ancestral ayant subi une duplication et dont les copies ont divergé par mutations successives. Certaines copies ont pu subir un déplacement sur un autre chromosome, ou transposition. L ensemble de ces gènes issus du même gène ancestral forme une famille multigénique. La ressemblance entre les séquences d un même gène ou de la protéine correspondante chez différentes espèces reflète le degré de parenté entre ces espèces. L'étude des pigments rétiniens confirme l'appartenance de l'homme au groupe des primates : il existe une très forte similitude entre les séquences protéiques (opsine bleue) de l Homme et des autres primates. Plus précisément, l Homme appartient au groupe des primates de l Ancien monde. En effet, d une part les primates de l Ancien monde sont trichromates (possession de 3 gènes codant les opsines S, M et L) tandis que ceux du Nouveau monde sont dichromates (possession de 2 gènes codant les opsines S et M /L). Une duplication des gènes d opsine est à l origine de la trichromatie des primates de l Ancien monde. D autre part, la séquence protéique de l opsine S de l Homme présente davantage de ressemblances avec les séquences de cette même molécule chez les primates de l Ancien monde qu avec celles du Nouveau monde. Arbre de parenté obtenu à l aide des opsines (bleue)

10 Reste à voir comment l'information visuelle, crée électriquement au niveau des cellules photoréceptrices et propagée le long des neurones bipolaires et ganglionnaires, accède au cerveau et comment elle y est reconnue.

11 Chapitre 3 : Cerveau et vision, aires cérébrales et plasticité 1) les voies visuelles - les informations visuelles nerveuses transitent entre le nerf optique (point de sortie de la rétine) et le cerveau. Une partie des fibres nerveuses croisent au niveau du CHIASMA OPTIQUE avant de relier le CORPS GENOUILLE LATERAL. De ce point, les fibres nerveuses rejoignent le CORTEX VISUEL PRIMAIRE. Les expériences de lésion des fibres en différents points du cerveau montrent que les informations visuelles correspondantes au champ visuel gauche, sont recueillies par la partie droite de la rétine des deux yeux et ce qui se trouve dans le champ visuel droit est perçu par la partie gauche de la rétine de deux yeux. - Les informations visuelles des parties gauches des deux rétines transmettent leurs informations à la partie gauche du cerveau. Donc, les informations visuelles des parties droites des deux rétines transmettent leurs informations à la partie droite du cerveau. Cl : le croisement partiel des fibres des deux nerfs optiques a une conséquence importante : la moitié (gauche ou droite) du champ visuel est perçue par l hémisphère cérébral du coté opposé. 2) le cortex visuel primaire et aires corticales visuelles L imagerie fonctionnelle du cerveau permet de montrer que plusieurs aires corticales participent à la vision :

12 - Le cortex visuel primaire, situé dans la partie arrière du cerveau, correspond aux points d'entrée des messages nerveux issus des photorécepteurs rétiniens. Le message est ensuite propagé dans l ensemble du cortex visuel.

13 - Des aires corticales visuelles spécialisées interviennent dans la reconnaissance des formes (aire V3), des couleurs (aire V4), du mouvement (aire V5). Une collaboration étroite entre les aires : La reconnaissance des formes nécessite une collaboration entre les aires visuelles et structures cérébrales impliquées dans la mémoire. Une perception visuelle unique résulte donc d une intégration de l ensemble des messages ainsi traités par les différentes aires corticales.

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15 3) L intervention de la mémoire. Lire ou reconnaitre un visage nécessite la perception visuelle du mot ou du visage mais aussi une reconnaissance qui met en jeu notre mémoire.

16 Cependant il n existe pas d aire de la mémoire dans le cerveau, c est seulement la réactivation de plusieurs assemblées de neurones qui permet d associer la perception à un nom ou un objet déjà connu. Accès à la prononciation Entrées visuelle s Accès au sens Forme visuelle des mots est ainsi facile de duper le cerveau, ce sont les illusions d optiques que l on devrait plutôt appeler les illusions cérébrales. Voir diaporama. - Illusions géométriques : le cerveau sur ou sous estime les dimensions ou les directions - Image à double sens : chacun va privilégier une interprétation au point d en masquer une autre.etc... La mise en place du phénotype cérébral impliqué dans la vision repose sur des structures innées, présentes et fonctionnelles dès la naissance. Elles sont le résultat de l'expression de l'information génétique et sont issues de l'évolution. Il MAIS.

17 Travail sur la plasticité du cerveau : La maturation du cortex cérébral s'effectue cependant également sous l'effet de l'expérience individuelle. En effet, une caractéristique du fonctionnement cérébral est sa capacité à se remanier au cours de la vie ; c'est ce qu'on appelle la plasticité cérébrale. L apprentissage et la mémorisation reposent également sur la plasticité du cerveau. L apprentissage implique une sollicitation répétée de circuits de neurones, ce qui modifie les connexions entre ces neurones ( donc éviter le bachotage et préférer l apprentissage régulier!!!!) 4) L intervention des substances chimiques Entre la rétine et le cortex visuel, et au sein des différentes aires corticales, le message nerveux est transmis par des neurones interconnectés. On appelle synapse la zone de

18 connexion entre deux neurones. Le message nerveux qui circule le long d'un neurone est de nature électrique, mais entre deux neurones, au niveau d'une synapse, le message nerveux est transmis par l'intermédiaire d'une substance chimique appelée neurotransmetteur. La transmission synaptique nécessite que les molécules de neurotransmetteurs se fixent sur des récepteurs spécifiques.

19 Certaines substances chimiques (comme le LSD), en interférant avec la transmission synaptique du message nerveux (par exemple en se fixant sur les récepteurs à la place des neurotransmetteurs) perturbent le fonctionnement des aires cérébrales associées à la vision et provoquent des hallucinations qui peuvent dériver vers des perturbations cérébrales graves et définitives. D autres substances altèrent la perception sensorielle : l alcool rétrécit le champ visuel et modifie d appréciation des distances. La consommation du cannabis se traduit par une perception exacerbée des sons et perturbe la vision. Quelques exemples en dessous : Les substances hallucinogènes perturbent la vision L'ergot du seigle (flèche) L'ergotisme (lien externe) est une très grave intoxication due l'ergot du seigle (lien externe) qui est un champignon parasite des céréales contenant de l'ergotamine. Celle-ci provoque notamment des convulsions et des hallucinations car elle perturbe la transmission synaptique au niveau cérébral. Image : fr.academic.ru Champignons hallucinogènes La psilocybine est contenue dans des champignons hallucinogènes. Son mode d'action est voisin de celui du LSD. Parmi ses divers effets elle induit des distorsions visuelles ou auditives, provoque des visions extraordinairement colorées, en mouvements kaléidoscopiques où l'usager se perd dans un monde imaginaire. Image : source non communiquée Comprimés d'ecstasy L'ecstasy est une drogue de synthèse qui en a, entre autres, des effets hallucinogènes. Par ailleurs l individu peut ressentir un regain d énergie, une euphorie et la suppression de certains blocages ou interdits dans les relations avec les autres. Image : Alcool et le champ visuel Même en dessous du seuil toléré, l'alcool perturbe la vision par une mauvaise appréciation des distances et une diminution de l'étendue du champ de vision. Le cannabis a, entre autres, des effets comparables. Image : Sciences 1e ES/L, Bordas 2011, p. 73 Les drogues agissent au niveau synaptique Une drogue peut se substituer à un neurotransmetteur

20 Comparaison des molécules de sérotonine et de LSD La sérotonine est l'un des nombreux neurotransmetteurs. Elle intervient dans diverses fonctions cérébrales (perception sensorielle, humeur, émotivité, sommeil...). La partie de la molécule qui se fixe sur le récepteur a une coformation semblable à celle d'une partie de la molécule de LSD. Les deux molécules peuvent donc se fixer sur le même récepteur. La psilocybine des champignons hallucinogènes a un mode d'action voisin. Le cannabis et les opioïdes (morphine, héroïne...) agissent de manière comparable mais avec d'autres neurotransmetteurs. Image obtenue avec le logiciel RasTop Activation des récepteurs à la sérotonine (IRMf) Les tons froids correspondent à une activité faible, les tons chauds à une activité forte. Les récepteurs spécifiques de la sérotonine sont largement répartis dans le cerveau (à gauche). Leur activité est augmentée par la consommation de LSD (à droite). On retrouve notamment le LSD dans les corps genouillés latéraux, principale zone de relais entre la rétine et le cortex visuel. Les molécules de LSD se fixent sur les récepteurs de la sérotonine, cela déclenche des messages nerveux visuels sans qu'aucune stimulation n'ait eu lieu. Image (modifiée) : SVT 1e S, belin 2011 p. 312) 2. Une drogue peut empêcher la recapture d'un neurotransmetteur Mode d'action synaptique de l'ecstasy L'ecstasy n'agit pas en mimant les effets de la sérotonine, mais il favorise, sa libération et empêche sa recapture par le neurone présynaptique. Il en résulte que le neurotransmetteur s'accumule dans la fente synaptique et agit davantage sur le neurone post synaptique. Les amphétamines et la cocaïne agissent de manière comparable avec d'autres neurotransmetteurs. Source : lecerveau.mcgill.ca D'une manière générale toutes les substances psychotropes agissent au niveau synaptique en provoquant soit l'accumulation, soit l'élimination d'un neurotransmetteur, soit encore en mimant son action ou en l'inhibant. La consommation de drogue entraîne des troubles du fonctionnement général de l'organisme Effet de l'ecstasy sur la densité des récepteurs de la sérotonine Des babouins reçoivent deux doses par jour d'ecstasy à 5 mg/kg pendant 4 jours. 14 mois plus tard on évalue la densité des récepteurs à la sérotonine dans le cerveau. L'ecstasy provoque une diminution durable du renouvellement des récepteurs de la sérotonine sur les membranes des neurones post synaptiques. L'effet de la drogue diminue donc au fur et à mesure des prises. Pour obtenir le même effet le consommateur doit alors augmenter les doses de drogue. Il y a alors tolérance ou accoutumance à la drogue. Les autres drogues agissent de manière comparable. Image (modifiée) : Sciences 1e ES/L, Nathan 2011, p.80

21 Effet de l'ecstasy sur la production de sérotonine Des rats reçoivent entre 0 (témoin) et 20 mg/kg d'ecstasy en deux doses par jour pendant 4 jours. On évalue la quantité de sérotonine dans le cerveau quelques heures après la dernière prise. L'ecstasy provoque une diminution très rapide de la production naturelle de sérotonine par le neurone présynaptique. Il en résulte un état de manque pouvant conduire à une dépendance physique et/ou psychologique vis à vis de la substance. Les autres drogues agissent de manière comparable. Image : Sciences 1e ES/L, Nathan 2011, p.80 Le bad-trip ou " mauvais voyage " Outre des hallucinations visuelles (visions de cauchemar) et/ou auditives violentes le bad-trip se caractérise par des vomissements, des tremblements, des sueurs, une augmentation soudaine du rythme cardiaque, une pâleur, une forte montée d'angoisse, des crises de phobie ou de panique etc. Dans la panique générée par son état, l'individu peut devenir violent envers lui-même ou envers les autres. Le flash-back ou " syndrome post-hallucinatoire persistant " Dans certains cas les drogues hallucinogènes se révèlent suffisamment traumatisantes pour que l'effet de bad-trip persiste plusieurs mois après l'effet de la prise de drogue. L'état dépressif qui en résulte peut conduire au suicide. Drogues et accidents de la route Alcool, cannabis et autres drogues modifient non seulement la perception visuelle mais agissent sur l'ensemble du système nerveux (mauvaise concentration, temps de réaction long...), rendant la conduite très dangereuse. Les effets du cannabis complétant ceux de l'alcool, l'association des deux drogues est particulièrement meurtrière car elle multiplie par 15 le risque d'accident mortel. Image : Pour en savoir plus Sitographie Drogues & dépendances (site institutionnel) Drogues info service Le cerveau à tous les niveaux