Conditions de visibilité d'un objet

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1 Conditions de visibilité d'un objet Objectifs Comment un objet devient-il visible à l œil d un observateur? Comment a évolué la conception de la vision? Lorsqu un observateur est dans une pièce plongée dans le noir absolu, il ne voit rien. Il lui faut allumer la lumière pour pouvoir distinguer les objets présents. La visibilité d un objet nécessite donc de la lumière. Nous nous intéresserons dans un premier temps à la nature de la lumière et dans un second temps, aux conditions de visibilité d un objet par un observateur. Nous terminerons par un rappel historique de la conception de la vision depuis l Antiquité grecque jusqu à la Renaissance. 1. La nature de la lumière La lumière est une onde électromagnétique qui se propage dans l espace. Une onde peut être assimilée à une perturbation telle la houle que l on observe à la surface de l eau qui fait osciller le bouchon du pêcheur. a. Conditions de propagation de la lumière Expérience 1 : On utilise un laser et un écran. Doc. 1 : Étude de la visibilité de la lumière. Dans la situation 1, l observateur ne voit qu un point lumineux sur l écran. Si l on pulvérise de la poussière de craie (situation 2), il peut visualiser un faisceau lumineux rectiligne. Conclusion : L observateur ne voit pas la lumière, il voit seulement les objets lorsqu ils sont capables de renvoyer cette lumière dans son œil.

2 Expérience 2 : On utilise un laser et deux milieux de propagation différents : (i) un milieu homogène, l eau, (ii) un milieu non homogène, de l eau contenant une solution de sucre concentré à sa base. Doc. 2 : Étude de la propagation de la lumière. Conclusion : La lumière se propage en ligne droite dans un milieu homogène tel que l eau (situation 1). Elle est déviée lorsqu elle change de milieu (situation 2). b. Réflexion et réfraction Expérience 1 : On place un objet au fond d une bassine. L observateur se positionne de telle façon qu il n aperçoit pas l objet. Si on remplit la bassine d eau, l objet devient visible pour l observateur. C est le phénomène de réfraction (document 3). Expérience 2 : L observateur se positionne face à un miroir. Il peut ainsi voir l objet qui se trouve sur sa droite. C est le phénomène de réflexion (document 3). Doc. 3 : Conditions de réfraction et réflexion. Le cerveau humain est conditionné pour un trajet rectiligne des faisceaux lumineux. Donc, pour l œil, la lumière semble suivre le trajet représenté en pointillé. C est donc à cet endroit que l observateur pense voir l objet. 2. Conditions de visibilité d'un objet

3 Expérience 1 : On place un carton opaque entre un objet et l observateur (cas 1). L objet est invisible pour l observateur. Expérience 2 : On perce un trou dans le carton opaque. L observateur peut se déplacer latéralement. Il peut définir des zones où l objet est invisible, ou seulement partiellement visible ou entièrement visible. Doc. 4 : Conditions de visibilité d un objet Conclusion : Pour être visible un objet doit pouvoir envoyer de la lumière dans l œil de l observateur. Pour cela, l objet peut être soit lumineux (il émet de la lumière), soit éclairé (il renvoie de la lumière). 3. Historique de la conception de la vision En Grèce Antique, les philosophes postulent la doctrine du «rayon visuel». Cette doctrine suggère que la vision est un faisceau divergent émis par l œil (le «feu visuel») qui va au contact des objets qui lui font obstacles. Il va les parcourir et en estimer les formes, la couleur, les volumes Il faut attendre le Moyen-âge et la société arabo-musulmane pour que Ibn Al Haytam (ou Alhazen), opticien persan suggère que le rayon lumineux se propage à partir de l objet jusqu à l œil et non l inverse. Il définit l œil comme un «récepteur de lumière». Par contre, pour lui, c est le cristallin qui reconstitue l image avant son transfert au cerveau et non la rétine. C est Johannes Kepler (17 e siècle), astronome, qui attribue à la rétine son véritable rôle. Il compare l œil à une chambre noire et explique comment se fait la vision : les rayons lumineux pénètrent par la pupille et se projettent sous la forme d une image inversée et colorée sur la rétine qui sert d écran. L'essentiel Un objet visible est un objet qui va soit émettre (objet lumineux) soit renvoyer (objet éclairé) des faisceaux lumineux en direction de l œil de l observateur. Les conditions de visibilité d un objet sont donc les suivantes : L objet doit être éclairé ou lumineux L objet doit pouvoir diffuser directement la lumière en direction de l œil de l observateur

4 Les faisceaux lumineux émis à partir de l objet doivent pouvoir pénétrer dans l œil de l observateur Cette conception de la vision date du Moyen Age. Auparavant, les philosophes grecs postulaient qu un «rayon visuel» jaillissait de l œil et parcourait les objets qui lui faisaient obstacle. C est au 17 e siècle avec Kepler que le fonctionnement de l œil tel qu'on le conçoit actuellement est proposé pour la première fois. Lentilles minces convergentes et divergentes Objectifs Comment distinguer une lentille mince convergente d une lentille mince divergente? Quels sont les éléments caractéristiques d une lentille mince convergente? Les lentilles sont des objets très présents dans notre environnement : lunette, lentille de contact, loupe, jumelle, appareil photo, microscope, 1. Lentille mince convergente ou lentille mince divergente Une lentille est un objet circulaire formé par un matériau homogène et transparent tel que le verre ou le plastique. Elle a la particularité de pouvoir dévier la trajectoire des rayons lumineux par réfraction. a. Différence de forme Une lentille mince convergente est une lentille à bord mince dont le centre est bombé (Doc. 1a) alors qu une lentille mince divergente est une lentille à bord épais dont le centre est mince (Doc. 1b). a. Différents types de lentilles minces convergentes

5 b. Différents types de lentilles minces divergentes Doc. 1 : Les différents types de lentilles minces convergentes et divergentes. b. Différence de fonctionnement Dans le cas d une lentille mince convergente, les rayons lumineux sont déviés vers l axe du faisceau (Doc. 2a) alors que dans le cas d une lentille mince divergente, les rayons lumineux s écartent de l axe du faisceau (Doc. 2b). a. Fonctionnement d une lentille mince convergente b. Fonctionnement d une lentille mince divergente Doc. 2 : Principe de fonctionnement des lentilles minces. 2. Eléments caractéristiques d'une lentille mince convergente Approche expérimentale : Plaçons une lentille convergente entre le soleil et une feuille de papier. Il existe une distance lentille-

6 feuille qui permet de visualiser un point lumineux sur la feuille qui peut s enflammer si on poursuit suffisamment longtemps l expérience. Cette distance est appelé distance focale. Elle sépare la lentille de son foyer (F), point sur l axe optique où tous les rayons lumineux convergent. On définit O, le centre optique comme le point d intersection entre l axe optique et la lentille. Les rayons lumineux qui passent par O ne sont jamais déviés (Doc. 3). Doc. 3 : Les caractéristiques d une lentille mince convergente. O : centre optique ; F : foyer Lorsque l on regarde un objet proche au travers d une lentille mince convergente, on voit l objet grossi comme avec une loupe (Doc. 4). L œil voit en fait l image virtuelle de l objet. Elle se forme en arrière de l objet. En effet, l œil adapté à la propagation rectiligne des faisceaux lumineux ne voit pas la déviation due à la lentille (en pointillé sur le schéma). Pour voir une image nette, l œil doit être positionné au niveau du foyer de la lentille. Doc. 4 : Vision de près au travers d une lentille mince convergente. AB : objet réel ; A B : objet image virtuel Si on regarde un objet éloigné au travers d une lentille mince convergente, l objet est visible mais à l envers (Doc. 5).

7 Doc. 5 : Vision de loin au travers d une lentille mince convergente. AB : objet réel ; A B : objet image inversé C est ainsi que fonctionne l œil, le cristallin joue le rôle de la lentille convergente. Il possède la capacité de faire varier sa courbure et donc sa distance focale ; c est l accommodation. Cette dernière permet de projeter l image inversée et nette de l objet sur la rétine. L'essentiel Il existe deux types de lentilles minces : - Les lentilles minces convergentes qui dévient les faisceaux lumineux en un point situé sur l axe optique appelé foyer. - Les lentilles minces divergentes qui écartent les faisceaux lumineux de l axe optique. Le cristallin situé dans l œil fonctionne comme une lentille convergente. Sa capacité à modifier sa courbure, appelée accommodation, permet de modifier la position du foyer et donc ladistance focale (distance entre la lentille et le foyer). Lorsque l on observe un objet éloigné, le foyer est positionné de telle sorte que l image de l objet puisse se former à l envers sur la rétine qui joue le rôle d écran. Lorsque l on regarde un objet proche, le cristallin se courbe de telle sorte que le foyer soit situé avant l objet. Modèle réduit de l'oeil Objectif Comment fonctionne l'oeil humain? 1. Modélisation d'un oeil a. Schéma de l'oeil et vision L œil est un récepteur de lumière sensible aux radiations lumineuses dont la longueur d onde λ est comprise entre 400 nm et 800 nm (domaine visible : violet au rouge). Le cristallin joue le rôle d une lentille convergente que des muscles ciliaires peuvent rendre plus ou moins bombée. L iris agit comme un diaphragme et limite l intensité lumineuse pénétrant dans l œil.

8 La rétine recueille les images et les transmets au cerveau sous forme d influx nerveux par l intermédiaire du nerf optique. L œil ne voit un objet que si : L objet est éclairé ou émet de la lumière La lumière provenant de l objet pénètre dans l œil. L œil ne voit un objet nettement que si son image se forme sur la rétine. b. Modèle simplifié d'un oeil Pour étudier la vision d un œil normal, on le modélise par un montage optique convergent. La distance d cristallin-rétine vaut en moyenne 17 mm. 2. Fonctionnement de l'oeil a. Formation d'une image sur la rétine Pour qu un objet soit vu nettement, il faut que son image se forme sur la tâche jaune de la rétine centrée sur l axe optique. Deux conditions doivent être remplies : L objet ne doit pas être trop écarté de l axe optique de l œil. L image de l objet doit se former à une distance constante (égale à 17 mm) du centre optique O. b. Vision à l'infini : l'oeil au repos Dans l œil normal (œil dit emmétrope) au repos, le plan focal image coïncide avec la rétine. L image de l objet à l infini ( ) se forme donc exactement sur la rétine, comme le montre la figure ci-dessous, et l objet est vu nettement.

9 c. Vision rapprochée : l'accommodation L observation d un objet rapproché exige un délai et un effort d adaptation de la vision : on dit que l œil accommode. Lorsqu'un objet se rapproche de l œil, son image se déplace dans le même sens. Elle se forme donc derrière la rétine et la vision est floue L œil doit accommoder pour que l'image soit nette, c'est-à dire ramener l image sur la rétine en augmentant sa convergence. Cela peut se faire grâce à la déformation du cristallin sous l action des muscles ciliaires. L'essentiel L œil ne voit un objet que si l objet est éclairé ou émet de la lumière et si la lumière provenant de l objet pénètre dans l œil. L œil normal au repos a une vision nette des objets éloignés. Pour observer des objets rapprochés, l œil doit accommoder en augmentant la vergence du cristallin. 1. L'oeil, accomodation, défauts et corrections

10 Sciences Formation des images sur la rétine - Nécessité de l'accommodation Objectifs L œil permet la perception visuelle en captant et dirigeant les rayons lumineux sur la rétine grâce à ses différents milieux transparents. Comment les images se forment-elles sur la rétine? Qu est ce que l accommodation et en quoi est-elle nécessaire? 1. Formation de l'image sur la rétine Avant d atteindre la rétine, les rayons lumineux traversent les milieux transparents de l œil : cornée, humeur aqueuse, cristallin, humeur vitrée. Au cours de ce trajet, la cornée et le cristallin font subir un changement de direction aux rayons lumineux. Tous les rayons vont converger (= aboutir au même point) et former une image sur la rétine, comme pour une lentille convergente. Pour qu un objet soit vu nettement, il faut que son image se forme précisément sur la rétine et sur l axe optique de l œil (tâche jaune = fovea). Deux conditions doivent donc être remplies : l objet ne doit pas être trop excentré de l axe optique de l œil ; l image de l objet doit se former à une distance constante du centre optique. 2. Voir de loin, voir de près : nécessité de l'accommodation a. Vision à l'infini Un œil normal (œil emmétrope) au repos focalise, notamment grâce à la convergence du cristallin, l image d un objet à l infini sur la rétine : l objet est vu nettement. Le point de l axe optique le plus éloigné qu un œil peut distinguer nettement est appelé punctum remotum (PR) : il est à l infini pour un œil normal. b. Vision rapprochée Si l objet se rapproche de l œil son image se forme en arrière de la rétine. Le cristallin, en se bombant sous l action des muscles ciliaires, augmente alors sa vergence (diminue sa distance focale) et ramène l image sur la rétine : c est l accommodation.

11 c. Les limites de l'accommodation L amplitude de l accommodation est limitée par la déformation maximale du cristallin. Le point de l axe optique le plus proche que l œil peut voir nettement est appelé : le punctum proximum (PP). Il se situe à environ 25 cm de l œil. L'essentiel L œil est un système optique convergent à distance focale variable. Il a, au repos, une vision nette des objets éloignés. Il doit accommoder (en déformant le cristallin) pour observer des objets rapprochés. La déformation du cristallin permet à l œil de voir nettement des objets situés entre le PR (ponctum remotum) et le PP (ponctum proximum). Les défauts de l'oeil et leur corrections Objectif Quels sont les défauts courants de l œil? À quoi sont-ils dus? Comment peut-on les corriger? 1. Rappel sur les caractéristiques optiques de l'oeil normal Un œil normal est dit œil emmétrope. Un œil emmétrope a son punctum remotum (point le plus éloigné vu nettement) situé à l infini. L œil est donc adapté à la vision de loin sans accommodation. Le punctum proximum (point le plus proche vu nettement) de l œil emmétrope est situé à environ 25 cm en avant de la cornée. 2. Les défauts optiques de l'oeil et leurs corrections Il s agit le plus souvent de défauts de sa géométrie ou d un vieillissement du cristallin qui entrainent une vision floue. a. La myopie À l infini, l image se forme avant la rétine soit par excès de convergence du cristallin ou de la cornée, soit à cause d un œil trop profond. Un objet éloigné est donc flou.

12 Quand l objet se rapproche, son image se rapproche de la rétine. Elle se forme sur la rétine lorsque l objet atteint le punctum remotum (PR) qui est le point le plus éloigné que le myope peut voir nettement (le PR de l œil normal se situe à l infini). La correction consiste à placer une lentille divergente devant l œil (lunettes, lentilles cornéennes) ou à diminuer la courbure et donc la vergence de la cornée grâce à la chirurgie laser. b. L'hypermétropie À l infini, l image se forme derrière la rétine soit par manque de convergence du cristallin ou de la cornée, soit à cause d un œil pas assez profond. L œil hypermétrope doit accommoder en permanence pour que l image d un objet éloigné soit nette. La correction consiste à placer une lentille convergente devant l œil (lunettes) ou à augmenter la courbure et donc la vergence de la cornée grâce à la chirurgie laser. c. La presbytie En vieillissant, le cristallin perd de sa souplesse ce qui provoque une diminution du pouvoir d accommodation. La vision des objets éloignés est inchangée mais celle des objets rapprochés devient difficile : le punctum proximum s éloigne. La correction consiste à placer une lentille convergente devant l œil pour la vision rapprochée. Pour que la vision lointaine reste correcte il existe des verres progressifs qui corrigent fortement la vue en vision de près et ne corrigent pas la vue en vision de loin.

13 Ce défaut peut se cumuler aux précédents : le myope presbyte peut, en retirant ses lunettes, se passer de correction de près, au contraire de l'emmétrope presbyte qui doit chausser ses lunettes «loupes» pour la lecture. L'essentiel Un œil myope est trop convergent, un œil hypermétrope ne l est pas assez et un œil presbyte accommode moins bien. Ces défauts de l œil peuvent être corrigées par des lentilles adaptées, ou par la chirurgie. Aires cérébrales et plasticité Objectif L observation d objets nécessite la collaboration de plusieurs aires visuelles spécialisées. Il existe cependant des activités comme la lecture qui, en plus de la perception visuelle, mettent en jeu des processus plus complexes nécessitant une mémorisation, un apprentissage. 1. L'apprentissage de la lecture et plasticité cérébrale Vous lisez et comprenez ces lignes avec l'impression que cela ne vous demande aucun effort. Et pourtant, ce phénomène est le résultat d'une série de périodes complexesd'apprentissages, qui se sont déroulées le plus souvent dans la petite enfance, puis durant les années d'écoles maternelle et primaire, parallèlement à la maturation du cerveau. Au cours de ces périodes on voit se modifier le volume des aires cérébrales impliquées sous l effet de l augmentation du nombre de connexions entre les cellules nerveuses. Cette capacité du cerveau à évoluer est appelée plasticité cérébrale. La plasticité cérébrale est d autant plus active qu elle se produit chez un organisme jeune. C est pourquoi il est préférable que l apprentissage de la lecture, qui nécessite la formation denouvelles connexions, se fasse dans les premières années qui suivent la naissance, au cours d une période où le cerveau de l enfant n est pas encore totalement mature et permet une plasticité optimale. Cependant il n existe pas de limite d âge pour apprendre à lire. L'apprentissage tardif de la lecture entraîne pratiquement les mêmes modifications cérébrales chez un adulte que s'il avait appris à lire durant son enfance. 2. La lecture et ses particularités La reconnaissance d un mot est rendue très complexe dans la mesure où des dizaines d images différentes peuvent correspondre au même mot. Celui-ci peut être écrit avec des lettres de taille plus ou moins grande, il sera cependant perçu et reconnu pour autant que son image puisse se former sur la rétine. Il en sera de même, qu il soit écrit à la main, imprimé avec différentes polices de caractères,

14 en minuscule ou en majuscule. Le cerveau de l enfant acquiert d abord des symboles visuels (graphèmes) : les lettres et leur nom. Puis viennent les sons (phonèmes) qui sont associés aux lettres. Lors de l apprentissage de base (b-a-ba), le cerveau automatise ces relations et leur enchaînement, afin de pouvoir déchiffrer progressivement les séquences de lettres qui forment les mots. À force d exposition avec les mots écrits, le cerveau finit par mémoriser la forme visuelle (orthographique) des mots, associée à sa forme sonore et à son sens. Il se forme un nouveau dictionnaire mental dans le cerveau de l enfant, connecté aux autres dictionnaires mentaux déjà acquis par le langage oral. Il s agit d une réorganisation importante du système visuel de l enfant et de ses connexions avec le système du langage. 3. Aires cérébrales de la lecture L hémisphère cérébral gauche est prépondérant. Chez la grande majorité des individus, les informations visuelles concernant la lecture arrivent au niveau des aires visuelles primaires et spécialisées de l'hémisphère gauche du cerveau (voir figure), où elles sont interprétées afin de parvenir à l'identification précise des graphèmes. Les informations parviennent ensuite à la circonvolution angulaire gauche toute proche, puis aux aires du langage (Wernicke et Broca), où le lien entre les graphèmes, les phonèmes et leur sens est réalisé. Grâce à sa proximité avec les centres moteurs de la bouche et de la langue, l'aire de Broca permet ultérieurement la prononciation des mots lus. - Et l'hémisphère droit? L'hémisphère droit participe aussi à la lecture en apportant par exemple la compréhension du rythme de la phrase, du contexte, des métaphores ou de l'humour. Doc.1 : Aires cérébrales impliquées lors de la lecture

15 La lecture recycle nos neurones. Grâce à l imagerie cérébrale on a également pu montrer que l'acquisition de la lecture n'est pas inscrite dans nos gènes. Lorsque nous apprenons à lire, les aires cérébrales du langage et de la vision se réorganisent. Et certains neurones se reconvertissent, passant de la reconnaissance des visages à celle des mots. Cette idée s'accorde avec le fait que la lecture est apparue trop récemment dans l'histoire de l'humanité pour avoir pesé sur notre évolution génétique. L'essentiel La reconnaissance d un mot écrit nécessite une collaboration entre les aires visuelles, les structures liées au langage et la mémoire. La plasticité cérébrale désigne la capacité du cerveau à réorganiser ses réseaux de neurones en fonction des expériences vécues. Les aires cérébrales concernées par la lecture se situent essentiellement dans l hémisphère gauche du cerveau. Photorécepteurs et voies visuelles Objectifs Les images se forment sur la rétine. Comment la rétine transmet-elle cette image? Quelles sont les autres éléments impliqués dans la perception visuelle? 1. La rétine : le film photographique de l'oeil a. Organisation générale La rétine est un tissu complexe constitué de différents types de cellules nerveuses organisés en couches. Certaines sont capables de convertir les signaux lumineux en signaux électriques : ce sont les cellules photoréceptrices, situées sur la face externe de la rétine. Les cellules bipolaires transmettent ensuite ces signaux aux cellules ganglionnaires. La lumière doit traverser ces deux couches cellulaires avant d atteindre celle des photorécepteurs.

16 Doc. 1 : Schéma de l'organisation cellulaire de la rétine Les prolongements (appelé axones) des cellules ganglionnaires se regroupent en un point de la rétine appelé tâche aveugle (car sans photorécepteurs) afin de former les fibres du nerf optique. b. Deux types de photorécepteurs Les cellules photoréceptrices sont des neurones courts qui possèdent un segment externe, de forme cylindrique pour les bâtonnets et conique pour les cônes. Les bâtonnets sont les plus sensibles à la lumière, environ cent fois plus que les cônes. Ils ne fonctionnent que lorsque l'éclairage est faible : une lumière trop forte les sature. Ils sont majoritairement situés dans la zone périphérique de la rétine et sont responsables de la vision périphérique (objet éloigné de l axe optique) et de la perception des contrastes. Ils permettent uniquement une vision en nuances de gris. Ils ne transmettent cependant aucune image précise ; ils possèdent en effet un faible pouvoir séparateur. Les cônes sont beaucoup moins sensibles à la lumière ; ils ne fonctionnent que lorsque la luminosité est très importante, alors seuls les cônes sont activés (les bâtonnets étant saturés par la lumière). À l'inverse des bâtonnets, les cônes situés dans la fovea (petite zone de la macula de la rétine dans l axe optique) assurent une vision centrale détaillée et la perception de la couleur. Leur résolution est cent fois plus grande que celle des bâtonnets. 2. Les pigments rétiniens Le segment externe des photorécepteurs contient des pigments photosensibles. Lorsque ces pigments absorbent la lumière, celle-ci modifie les propriétés électriques des photorécepteurs, donnant naissance à un message nerveux. les bâtonnets contiennent de la rhodopsine les cônes contiennent, en proportion variable, trois variétés d opsine, ce qui les rend plus ou moins sensibles à des longueurs d onde différentes. Selon leur sensibilité, on distingue respectivement les cônes «bleus», «verts» et «rouges». L homme est donc trichromate : il possède les trois types de pigments rétiniens au niveau des cônes. Si l un (ou plusieurs) de ces pigments est manquant, suite à l absence d un gène ou à une mutation, la perception des couleurs est affectée : c est le daltonisme. Tableau résumant les différences entre cellules photoréceptrices : Bâtonnet Cône Situation À la périphérie de la rétine Dans la macula Sensibilité à la lumière Sensible : vision de nuit Peu sensible Couleur Vision en niveaux de gris Sensible aux couleurs Résolution Vision périphérique peu détaillée Vision centrale détaillée Pigment photosensible Rhodopsine 3 types d opsine (bleu, vert, rouge) 3. Phylogénie et pigments rétiniens La majorité des mammifères et des singes d Amérique sont le plus souvent dichromates. Comme l homme, certains primates d Afrique, d Asie et d Europe sont trichromates.

17 D autre part, tous les primates possèdent le gène codant l opsine «bleue». La comparaison, parmi différentes espèces, des séquences de gènes codant cette molécule montre également que les singes d Afrique, d Asie et d Europe sont beaucoup plus proches de l homme que les singes d Amérique. 4. Les voies visuelles Les messages nerveux issus des deux yeux sont acheminés vers le cerveau par les nerfs optiques. Ces nerfs se croisent partiellement, formant le chiasma optique. (figure ci-dessous) La moitié des fibres nerveuses provenant de la rétine arrivent alors dans l hémisphère cérébral opposé. Parallèlement, chaque hémisphère reçoit aussi des informations émanant de l œil situé du même côté. Par conséquent, chaque hémisphère reçoit deux informations issues de la même partie du champ visuel. L'essentiel Les cellules photoréceptrices de la rétine transforment les signaux lumineux qu elles reçoivent en signaux électriques grâce aux différents pigments qu elles contiennent. Deux types de photorécepteurs bien différents se partagent cette tâche. D'un côté les bâtonnets qui permettent de voir en nuances de gris dans des conditions de faible luminosité, et de l'autre, les cônes, qui sont sensibles à la couleur dans des conditions de forte luminosité. Les nerfs optiques acheminent ensuite les messages nerveux au cerveau au niveau du cortex visuel. L étude comparée des pigments rétiniens permet de placer l homme parmi les primates.

18 Aires visuelles et perception visuelle Objectifs Les messages nerveux émis par les cellules de la rétine se propagent via le nerf optique et d autres neurones vers le cerveau où ils sont analysés. Quelles sont les zones du cerveau impliquées? Comment parvient-on à une perception visuelle des objets qui nous entourent? 1. Localisation des aires visuelles dans le cerveau a. Méthodes utilisées 1. Les études cliniques En cas de lésion accidentelle ou pathologique, (traumatisme crânien, Accident Vasculaire Cérébral, tumeur ), on peut parfois mettre en évidence le rôle de la zone du cerveau lésée en observant quelles sont les fonctions touchées chez le sujet. 2. L imagerie médicale Les techniques modernes d imagerie médicale permettent d identifier les régions du cortex actives lorsqu un sujet effectue une tâche précise (le sujet regarde, écoute, lit, imagine ) Ces techniques reposent sur les variations du débit sanguin qui accompagnent l activité d une zone du cortex. La TEP La tomographie par Emission de Positons (TEP) est une méthode d'imagerie médicale pratiquée qui permet de mesurer en trois dimensions l'activité métabolique d'un organe grâce aux émissions produites par les positons (ou positrons) issus de la désintégration d'un produit radioactif mélangé à du glucose et injecté au préalable au patient. Sur une image TEP, des couleurs ou des niveaux de luminosité différents représentent des niveaux fonctionnels d un tissu ou d un organe différents. Par exemple, une zone du cerveau en activité utilise plus de glucose qu une zone au repos et apparaîtra donc plus lumineuse sur les images TEP. L IRM L'imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf) est une application de l'imagerie par résonance magnétique permettant de visualiser, de manière indirecte, l'activité cérébrale. Il s'agit d'une technique d'imagerie utilisée pour l'étude du fonctionnement du cerveau. Elle consiste à enregistrer des variations minimes du flux sanguin, lorsque des zones sont stimulées. Cette technique a une bonne résolution spatiale, ce qui permet d'accéder à une cartographie fine des aires

19 fonctionnelles du cerveau. De plus, elle ne présente aucun danger connu pour la santé des sujets. Détection par l'irmf de l'activation des régions du cerveau impliquées dans la perception visuelle b. Positionnement et fonctions des aires visuelles Grâce aux méthodes précédentes, on sait que la plupart des messages nerveux visuels arrivent dans une aire située à l'arrière du cortex occipital de chacun des deux hémisphères cérébraux. Ces deux aires cérébrales forment le cortex visuel primaire : V1.

20 Suite au croisement des nerfs optiques au niveau du chiasma optique, il y a séparation des deux faisceaux de fibres. Chaque aire primaire reçoit des informations provenant des deux yeux. Ainsi, toute lésion située dans cette zone provoque une cécité (perte de vision) plus ou moins prononcée. Parallèlement, certaines informations visuelles arrivent directement dans différentes aires visuelles spécialisées dans le traitement de la couleur, des formes ou encore des mouvements. V3 : traitement des formes V4 : traitement des couleurs V5 : traitement des mouvements Le message nerveux visuel émis par la rétine est transporté par les nerfs optiques, puis d autres neurones jusqu à une zone du cerveau nommée cortex (zone périphérique du cerveau). Dans cette zone on distingue différentes aires ayant des fonctions spécifiques et donc en particulier les aires visuelles. 2. Perception visuelle : le cerveau intègre les signaux La vision n est pas une simple stimulation de la rétine : c est le cerveau qui traite le message nerveux en provenance de l œil dans les aires visuelles. Le cerveau fait également interagir ces informations visuelles avec celles d autres aires spécialisées du cortex : mémoire, langage Des connexions s effectuent entre neurones. L information visuelle est traitée à différents niveaux par plusieurs milliers de neurones. Ce traitement séquentiel de l information permet aux neurones d acquérir progressivement depuis les aires visuelles primaires jusqu aux aires spécialisées, la potentialité de répondre à des stimulations complexes et spécifiques intervenant dans la reconnaissance d un congénère, de proies, d ennemis Le résultat de cette intégration est la perception visuelle de notre environnement avec ses formes, son relief, ses couleurs et ses mouvements. L'essentiel Grâce aux études cliniques ou aux méthodes d imagerie médicale, on a pu déterminer assez précisément des zones du cerveau correspondant à des fonctions données. L aire visuelle primaire est le point d entrée des messages visuels dans le cerveau, qui produisent les sensations visuelles élémentaires. Des aires visuelles secondaires spécialisées identifient les couleurs, le mouvement, les formes : elles reçoivent les messages issus de l aire primaire et construisent la perception visuelle. Ces aires visuelles échangent en permanence et simultanément des messages avec d autres aires cérébrales, permettant la perception visuelle globale. Le monde que nous voyons est une "représentation" que se fait le cerveau. Couleur et Art Objectif Comment est définie la couleur d un objet? La couleur d un objet dépend de la matière (colorants, pigments) et de la lumière qui l éclaire. 1. Colorants et pigments a. Distinction colorant et pigment

21 Un colorant est une espèce chimique soluble dans le milieu qu il colore. Il est utilisé comme base pour les teintures. Le plus vieux colorant connu est l indigo. Il était utilisé pour colorer les draps en bleu au Moyen Age. Aujourd hui, il est utilisé pour colorer les jeans. Il fût d abord extrait à partir d une plante, le pastel. Il est aujourd hui obtenu par synthèse chimique. C est le cas aujourd hui de la plupart des colorants. Les colorants naturels sont d origine végétale (carotte, betterave, garance, ) ou animale (purex pour le pourpre, cochenille pour le carmin, ). Un pigment est une espèce chimique insoluble qui se présente sous la forme d une poudre finement broyée. Il est utilisé comme base colorante pour les peintures. Les pigments naturels sont d origine minérale (ocres, ). De nombreux pigments sont aujourd hui produits de façon synthétique. Les différents types de peinture connus sont produits en mélangeant un pigment finement broyé avec un liant (huile ou eau) additionné ou non de résine ou de gomme. b. Paramètres physiques et chimiques influençant la couleur La couleur est obtenue en mélangeant un ou plusieurs colorants ou pigments. Elle peut être dépendante de différents paramètres. Influence du milieu : Pour l expérience, on utilise le sulfate de cuivre qui se présente sous la forme d une poudre bleue. Approche expérimentale : On dilue du sulfate de cuivre dans différents solvants. Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau suivant : Influence du ph Le chou rouge contient un colorant qui confère une couleur violette à l eau dans laquelle on le chauffe. Approche expérimentale : On ajoute quelques gouttes de cette eau colorée à des solutions de ph différents. Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau suivant : Influence de la température

22 L ocre est un pigment naturel d origine minérale. Il doit sa couleur jaune à la présence de limonite. Approche expérimentale : On chauffe à différentes températures de la poudre d ocre. On constate qu à moins de 300 C, l ocre est jaune, à 300 C l ocre devient orange et à 950 C, l ocre est rouge. Ces différences de couleur s expliquent par les différences de teneur en eau de l ocre suite au chauffage. Ainsi, la couleur obtenue en mélangeant des colorants ou des solvants peut varier selon les caractéristiques du milieu (type de solvant, ph) et des paramètres extérieurs (température, luminosité). On peut donc modifier la couleur en changeant ces paramètres. Ce procédé est appelé transformation chromatique. 2. La synthèse des couleurs a. Le cercle chromatique Le cercle chromatique est une représentation conventionnelle circulaire des couleurs. Sur ce cercle, les couleurs sont ordonnées comme dans l arc en ciel. Deux couleurs opposées symétriquement sur le cercle sont dites complémentaires. Ainsi, le vert est complémentaire du magenta, le rouge est complémentaire du cyan, et le bleu est complémentaire du jaune. b. La synthèse additive La lumière blanche du Soleil résulte d une superposition d une infinité de radiations. Elle est dite polychromatique. Lorsqu on lui fait traverser un prisme, elle se décompose en plusieurs rayons de couleur dont l ordre correspond à celui du cercle chromatique. La synthèse additive consiste en la superposition de rayons lumineux colorés afin de produire de

23 nouvelles couleurs. Approche expérimentale : Considérons un écran. En absence de lumière, l écran est noir. Si on éclaire cet écran avec des faisceaux lumineux de couleurs différentes on observe qu il est possible de créer de nouvelles couleurs lorsque les faisceaux se superposent : Les couleurs Vert, Bleu et Rouge sont appelées couleurs primaires. Lorsqu on superpose les couleurs primaires on obtient les couleurs complémentaires : Bleu + Vert = Cyan complémentaire du Rouge Bleu + Rouge = Magenta complémentaire du Vert Rouge + Vert = Jaune complémentaire du Bleu La superposition des trois couleurs primaires permet d obtenir le Blanc. On constate que le Blanc peut être aussi obtenu en superposant deux couleurs complémentaires. Toutes les autres couleurs peuvent être obtenues en superposant dans des proportions différentes les couleurs primaires. Où trouve-t-on une application de la synthèse additive des couleurs? Si on observe de près un écran d ordinateur ou de téléphone portable on constate que l image est formée de millions de points lumineux, les pixels. Chaque pixel est constitué de trois «sous-pixels» colorés (vert, bleu et rouge). Ces points lumineux vont s allumer ou s éteindre et les lumières émises en se superposant vont former une image et lui donner sa couleur. Dans le cas de la vision, les cônes de la rétine sont sensibles aux trois couleurs primaires. Lorsqu ils sont stimulés par l une de ces couleurs ils envoient l information nerveuse au cerveau qui reconstitue l image en additionnant les couleurs. c. La synthèse soustractive La synthèse soustractive consiste à superposer des filtres sur le trajet de la lumière blanche afin d en soustraire les couleurs. Par ce procédé, on peut obtenir de nouvelles couleurs. En synthèse soustractive les couleurs dites primaires sont le cyan, le magenta et le jaune. Si on superpose trois filtres correspondant chacun à l une de ces couleurs on obtient du noir :

24 Les filtres absorbent la lumière dont ils sont complémentaires sur le cercle chromatique. Le filtre Magenta absorbe le Vert et laisse passer le Rouge et le Bleu Le filtre Cyan absorbe le Rouge et laisse passer le Vert et le Bleu Le filtre Jaune absorbe le Bleu et laisse passer le Vert et le Rouge Ainsi, un objet a la couleur des radiations qu il renvoie OU la couleur complémentaire des radiations qu il absorbe. Où trouve-t-on une application de la synthèse soustractive des couleurs? Le fonctionnement des imprimantes couleurs est basé sur le principe de la synthèse soustractive. Les couleurs qui se superposent sur la feuille lors d une impression filtrent la lumière blanche émise par la feuille. L obtention d une grande variété de couleurs repose sur la superposition des couleurs primaires dans des proportions différentes. Les peintres basent le choix de leur couleur sur ce procédé. Ils superposent des couleurs afin de filtrer la couleur blanche de la toile. Par contre, ils évitent les mélanges de couleurs trop complexes qui pourraient aboutir à des couleurs trop sombres. L'essentiel La couleur qui joue un rôle essentiel en Art résulte de l utilisation d espèces chimiques d origine minérale (pigments), animale ou végétale (colorants). La lumière blanche émise par le Soleil correspond en fait à une superposition d une multitude de couleurs. On distingue les couleurs primaires Bleu, Vert et Rouge et les couleurs complémentaires Jaune, Magenta et Cyan, respectivement. Il est possible d additionner ces couleurs grâce à des faisceaux lumineux pour créer tout un panel de couleurs différentes. L addition de ces trois couleurs donne le blanc. Cette synthèse additive de la couleur est le principe de base du fonctionnement desécrans (ordinateurs, vidéoprojecteurs,.) Il est possible de soustraire des couleurs de la lumière blanche du Soleil en utilisant des filtres. La couleur qui est absorbée par le filtre correspond à la couleur complémentaire du filtre. La superposition de filtres Magenta, Cyan et Jaune donne la couleur noir. Cette synthèse soustractive de la couleur est le principe de base de l impression couleur et de la peinture qui utilisent un support blanc (feuille, toile, ).