Thème 6. Thème 1. De l œil au cerveau : quelques aspects. de la vision. Chapitre 1. De la lumière au message nerveux : le rôle de l œil

Transcription

1 Thème 6 Thème 1. De l œil au cerveau : quelques aspects de la vision Chapitre 1 De la lumière au message nerveux : le rôle de l œil Unité 1 Le trajet de la lumière dans l œil [pp du manuel de l élève] Le cristallin est l un des systèmes transparents de l œil humain. Il est formé de cellules vivantes qui renouvellent en permanence leur contenu. Les modalités de ce renouvellement sont indispensables à sa transparence. Des anomalies de forme du cristallin expliquent certains défauts de vision. Avec l âge, sa transparence et sa souplesse peuvent être altérées. Recenser, extraire et organiser des informations et/ou manipuler (dissection, maquette et/ou recherche documentaire) pour : localiser et comprendre l organisation et le fonctionnement du cristallin (doc. 1 à 6) ; comprendre certains défauts de vision (doc. 4 et 6, exercices p. 304). La page d ouverture du chapitre peut être utilisée pour aborder la notion d organe sensoriel et présenter d œil comme un organe sensoriel spécialisé dans la réception de stimuli lumineux. L objectif de ce chapitre est de comprendre comment l œil produit un message nerveux visuel à partir d un stimulus lumineux, en envisageant des implications en matière de santé et en associant à cette étude une approche évolutive permettant de placer l Homme parmi les primates. Lors de cette première unité, l élève est amené à comprendre les phénomènes optiques par lesquels une image est focalisée sur la rétine ainsi qu à découvrir le rôle et la structure du cristallin. Il est à noter que celui-ci n est pas la seule structure oculaire à dévier les rayons lumineux : la cornée présente également un pouvoir de réfraction élevé mais n est pas abordée ici faute d être mentionnée dans le programme. La dissection proposée (doc. 1) a été réalisée sur un œil de veau. Elle peut être mise en œuvre sur des yeux de lapin (à se procurer auprès d un boucher). Cette analyse peut être complétée avantageusement par l utilisation du logiciel L œil et la vision de Pierre Perez (voir l atelier informatique p. 326), téléchargeable gratuitement sur le site de l Académie de Toulouse. De nombreuses informations complémentaires sur la vision et le cerveau sont disponibles sur le site Internet Le cerveau à tous les niveaux, de l Université McGill de Montréal : mcgill.ca La compréhension du trajet de la lumière dans l œil s appuie sur des notions du programme de physique : optique géométrique, fonctionnement optique de l œil. ➊ Doc. 1 et 2 (Manipuler, extraire des informations). La structure dessinée en vert sur la modélisation du doc. 2 doit être transparente pour laisser passer la lumière et doit faire converger cette lumière sur la rétine pour permettre la formation d une image. Elle doit donc posséder les caractéristiques d une lentille convergente. ➋ Doc. 2 À 4 (Extraire et organiser des informations à partir de différents documents). La dissection de l œil (doc. 1) et le schéma de coupe sagittale de l œil (doc. 2) montrent qu il existe dans l œil plusieurs milieux transparents traversés par la lumière : la cornée, l humeur aqueuse, le cristallin, l humeur vitrée. Le cristallin a une forme de lentille et, placé sur un texte, a l effet d une loupe (doc. 3) : il se comporte donc comme une lentille convergente. Une anomalie de forme du cristallin (doc. 4) entraîne un défaut de vision. Le cristallin est donc très vraisemblablement la structure représentée en vert sur la modélisation du doc. 2. ➌ Doc. 4 a 6 (S informer à partir d un tableau et de sa légende). Plusieurs caractéristiques du cristallin contribuent à sa transparence : il est constitué de cellules particulières, vivantes mais dépourvues de noyau et d organites ; ces cellules sont remplies de cristallines, protéines solubles précisément arrangées. La courbure du cristallin peut être modifiée grâce aux muscles ciliaires, dont l état de contraction modifie la convergence des rayons lumineux qui le traversent : c est l accommodation, qui permet de former une image nette sur la rétine lorsque l objet observé est proche. Le cristallin est déformable car il présente une certaine élasticité, mais conserve sa structure grâce à l étroite association des fibres cristalliniennes qui le constituent. Au cours du vieillissement (doc. 4 et 6), le cristallin perd de son élasticité, provoquant des difficultés d accommodation et une Thème 6 Chapitre 1 19

2 baisse de la vision de près, constitutives de la presbytie. Le cristallin peut également perdre sa transparence si l arrangement des cristallines dans les fibres cristalliniennes est modifié : c est la cataracte, caractérisée par une baisse de l acuité visuelle. ➍ En conclusion (Communiquer en rédigeant une synthèse). La lumière émise par un objet traverse les milieux transparents de l œil et converge sur la rétine grâce au cristallin. Celui-ci joue le rôle d une lentille convergente à focale variable : lorsque l objet observé est proche, l accommodation modifie la courbure du cristallin et permet de former une image nette sur la rétine. Lorsque l objet est éloigné, l accommodation n est pas nécessaire. Unité 2 La rétine et le rôle des photorécepteurs [pp du manuel de l élève] «La rétine est une structure complexe qui comprend les récepteurs sensoriels de la vision appelés photorécepteurs. Celle de l Homme contient les cônes permettant la vision des couleurs [ ] et les bâtonnets sensibles à l intensité lumineuse. [ ] Le message nerveux issu de l œil est acheminé au cerveau par le nerf optique.» Extraire et exploiter des informations (maquette, logiciel et/ou recherche documentaire et/ou observations microscopiques) pour : comprendre l organisation de la rétine (doc. 1 et 3 à 6) ; déterminer le rôle des photorécepteurs (doc. 2 à 6, exercices 5 p. 305 et 7 p. 306). Cette unité vise à montrer que la rétine, structure complexe, contient des photorécepteurs qui convertissent un stimulus lumineux en un message nerveux (doc. 1 à 3). Les caractéristiques distinguant les deux grands types de photorécepteurs sont dégagées (doc. 3 à 6). Cette unité s appuie sur des observations microscopiques, qui pourront être confrontées aux images de microscopie électronique pour mieux comprendre l organisation de la rétine et des photorécepteurs. Des résultats cliniques (électrorétinogrammes), des données de publications scientifiques (doc. 4 et 5) et une interview d un chercheur complètent l approche pour en comprendre les aspects fonctionnels. La diversité des ressources utilisées est l occasion de proposer de résoudre le problème posé sous la forme d une tâche complexe : il s agit pour l élève de mobiliser des connaissances, de mettre en œuvre des capacités et attitudes afin de répondre à une problématique globale. L élève construit sa propre démarche, en utilisant les ressources dont il dispose. S il le souhaite, il peut s aider des conseils proposés qui constituent une aide procédurale. L atelier Sciences actualité (p. 326) constitue un travail complémentaire à cette unité pouvant être associé à une recherche documentaire (B2i). (Réaliser une observation microscopique, extraire des informations à partir d observations et de documents, organiser ces informations, communiquer par écrit) DOC. 1 La rétine, fine «membrane» qui tapisse le fond de l œil, est une structure complexe constituée de plusieurs types de cellules nerveuses repérables par leur noyau et organisées en couches. La lumière traverse ces couches pour parvenir à celle constituée de cellules photoréceptrices appelées cônes et bâtonnets. Les différents types de cellules nerveuses rétiniennes sont en contact par des prolongements cellulaires. Les cellules ganglionnaires, qui constituent la première couche de cellules ont des prolongements cellulaires qui gagnent le nerf optique. Cette organisation de la rétine suggère que la lumière reçue par les cônes et les bâtonnets serait à l origine d un message transmis par les différents types cellulaires au nerf optique. DOC. 2 La réalisation d un électrorétinogramme met en évidence une activité électrique de la rétine en réponse à une stimulation lumineuse. La rétine produit donc un message nerveux visuel lorsqu elle reçoit de la lumière. Dans le même temps, des électrodes placées sur le cuir chevelu enregistrent une activité électrique, signifiant que le message produit par la rétine est transmis au cerveau. La dissection de l œil a permis d observer le nerf optique qui met en relation anatomiquement l œil et le cerveau : il conduit donc vraisemblablement le message nerveux visuel au cerveau. Doc. 3 Les images obtenues grâce au microscope électronique à balayage mettent en évidence les différences d organisation des cônes et des bâtonnets : leur nom respectif est dû à la forme de leur segment externe. Ces cellules contiennent des pigments, protéines capables d absorber les rayonnements lumineux, et génèrent un signal électrique lorsqu elles sont stimulées par la lumière. Les cônes et bâtonnets se distinguent également par leur sensibilité : un seul photon suffit à déclencher une réponse des bâtonnets alors qu il en faut une centaine pour un cône. Doc. 4 et 5 Le graphique met en relation la densité des cônes et bâtonnets selon leur localisation par rapport à l axe optique de l œil 20 Thème 6 Chapitre 1

3 (où convergent les rayons lumineux lorsqu on fixe l objet observé). La répartition des photorécepteurs n est pas homogène. Ils sont absents de la zone de départ du nerf optique. Les cônes sont très nombreux à proximité de l axe optique de l œil, dans une zone appelée fovéa, où il y a peu de bâtonnets. En revanche, à mesure que l on s éloigne de la fovéa, la densité des cônes diminue brutalement tandis que celle des bâtonnets augmente (doc. 4). Ces données sont corroborées par des observations de la surface rétinienne au MEB (doc. 5). Les cônes prédominent donc largement au niveau de la fovéa alors que les bâtonnets représentent l essentiel des photorécepteurs dans la rétine périphérique. On constate donc que les photorécepteurs les moins sensibles les cônes sont concentrés dans la zone où convergent les rayons lumineux. Cela suggère une relation entre répartition et fonction des photorécepteurs. Doc. 6 La vision centrale, qui met en jeu la fovéa, permet une meilleure acuité visuelle ainsi qu une meilleure vision des couleurs, mais est moins efficace la nuit : elle nécessite une luminosité plus importante. On peut en déduire que les cônes, peu sensibles et localisés dans la fovéa, sont mis en jeu dans la vision des couleurs, lorsque la luminosité est suffisante (vision photopique). En revanche, la vision périphérique permet de mieux détecter un objet peu lumineux une étoile par exemple la nuit : les bâtonnets, très sensibles et essentiellement localisés dans la rétine périphérique, sont mis en jeu lorsque la luminosité est faible (vision scotopique) mais ne permettent pas de distinguer les couleurs. En conclusion La rétine contient différents types de cellules : des photorécepteurs qui produisent un message nerveux en réponse à une simulation lumineuse, et des cellules nerveuses qui participent à l élaboration et à la transmission d un message nerveux visuel qui sera acheminé au cerveau par le nerf optique. Les photorécepteurs sont de deux types : les bâtonnets et les cônes. Les bâtonnets, surtout localisés dans la rétine périphérique, sont très sensibles et mis en jeu dans des conditions de faible luminosité. Les cônes, présents dans la fovéa, sont moins sensibles et interviennent si la luminosité est suffisante. Ils permettent de voir les couleurs. Unité 3 Les pigments rétiniens et la vision des couleurs [pp du manuel de l élève] «La rétine de l Homme contient trois types de cônes respectivement sensibles au bleu, au vert et au rouge. Des anomalies des pigments rétiniens se traduisent par des perturbations de la vision des couleurs.» Extraire et exploiter des informations (maquette, logiciel et/ou recherche documentaire et/ou observations microscopiques) pour : comprendre l origine de troubles de la vision colorée (doc. 1 à 5 et doc. 8, exercice 6 p. 305) ; comprendre le rôle des cônes dans la vision des couleurs (doc. 4 à 7). Dans l unité précédente, l existence et le rôle des deux types de photorécepteurs ont été montrés. Il s agit ici de comprendre comment les cônes peuvent permettre de distinguer les couleurs, en utilisant comme point de départ une anomalie de la vision des couleurs : le daltonisme. Le Dossier Pour La Science sur le thème de la couleur (dossier hors-série, avril 2000) rassemble de nombreuses informations sur la vision des couleurs et ces troubles. Le daltonisme est l une des pistes évoquée par le programme : l exercice 6 (p. 305) permet d étudier sa transmission dans une famille. De nombreuses données sur ce sujet sont disponibles sur Internet : le site ou celui du Syndicat des Ophtalmologistes de France par exemple. Le logiciel en ligne de traitement d images Vischeck (en anglais) simule la vision correspondant aux différents types de daltonisme ( Il permet d obtenir des images telles que celle présentée dans le doc. 1. Pour aller plus loin dans la compréhension du daltonisme, il est possible de comparer la proportion d hommes et de femmes concernés (doc. 3) et de faire la relation avec la localisation chromosomique des gènes codant pour les opsines (doc. 8). La compréhension de la vision des couleurs s appuie sur des notions abordées dans le cadre du programme de physique : lumière, couleur. ➊ Doc. 1 à 5 (Extraire et mettre en relation des informations pour formuler une hypothèse explicative). La simulation de la vision d un individu daltonien (doc. 1) met en évidence l impossibilité de distinguer le rouge du vert. Le daltonisme (doc. 3) correspond à plusieurs formes d anomalies de vision des couleurs. Le plus souvent, il s agit d une difficulté à distinguer le rouge du vert. Le spectre de la lumière visible (doc. 2) correspond à un ensemble de radiations lumineuses de couleurs différentes selon leur longueur d onde, dans un intervalle compris entre 400 et 700 nm environ. Un individu qui voit normalement les couleurs peut distinguer l ensemble de ce spectre. Thème 6 Chapitre 1 21

4 Toute couleur peut être obtenue en mélangeant trois couleurs dites primaires (doc. 4). On peut formuler l hypothèse que la perception des couleurs pourrait reposer sur un système de combinaison de trois «canaux» plutôt que sur de très nombreuses catégories de photorécepteurs sensibles chacune à une longueur d onde donnée. Lorsqu un daltonien croit reproduire une lumière jaune orangé en utilisant seulement la lumière verte, ou seulement la lumière rouge (doc. 5), on peut penser qu il lui manque un de ces «canaux». L hypothèse d une vision des couleurs reposant sur trois «canaux» donc sur trois types de cônes de sensibilité différente selon la longueur d onde se trouve confortée. ➋ Doc. 6 et 7 (S informer à partir d un graphique et d un schéma). Les cônes présentent une absorption différente selon la longueur d onde du rayonnement reçu. Cette absorption est maximale pour une longueur d onde donnée et décroît à mesure que l on s éloigne de cette longueur d onde : c est le spectre d absorption. On peut distinguer trois types de cônes selon leur spectre d absorption : certains présentent une absorption maximale dans le bleu (430 nm), d autres dans le vert (530 nm), les derniers dans le rouge (560 nm). Leur spectre d absorption diffère car ils contiennent des pigments différents : opsine S, opsine M ou opsine L. La comparaison des séquences peptidiques de ces opsines (doc. 7) révèle des différences, surtout entre les opsines M et S. On peut supposer que ces différences dans la structure moléculaire des opsines expliquent les différences de leur spectre d absorption. L hypothèse de trois «canaux» mis en jeu dans la vision des couleurs est confortée par l existence de ces trois types de cônes dont les spectres d absorption sont variables. La combinaison de l activité des trois types de cônes permet la perception de l ensemble des couleurs du spectre visible. ➌ Doc. 8 (Mettre en relation des informations et raisonner). Les opsines sont des protéines, codées donc par des gènes. Le gène codant l opsine S est localisé sur le chromosome 7, ceux codant les opsines M et L sur le chromosome X. Dans l exemple présenté, l individu daltonien ne possède pas de gène codant pour l opsine M. On peut en déduire que les couleurs qu il percevra dépendront seulement de l activité des cônes S et L. Cela peut expliquer des difficultés à faire la différence, par exemple, entre des rayonnements lumineux de 540 nm (vert) et de 590 nm (rouge) : dans les deux cas, seuls les cônes L absorbent ces rayonnements, avec le même taux d absorption. ➍ En conclusion (Communiquer en rédigeant une synthèse). L Homme perçoit les couleurs grâce à trois types de cônes sensibles au bleu, au vert et au rouge car ils contiennent respectivement une opsine S, M ou L. On dit que l Homme a une vision trichromate car c est la combinaison de l activité de ces trois types de cônes qui lui permet de distinguer l ensemble des couleurs du spectre de la lumière visible. Unité 4 La vision des couleurs chez les primates [pp du manuel de l élève] «Les gènes des pigments rétiniens constituent une famille multigénique (issue de duplications) dont l étude permet de placer l Homme parmi les primates.» Extraire et exploiter des informations (maquette, logiciel et/ou recherche documentaire et/ou observations microscopiques) pour : s informer sur la vision des couleurs chez les primates (doc. 1 et 2) ; faire le lien entre la vision des couleurs et l évolution (doc. 3 à 5, exercice 8 p. 306) ; Dans l unité précédente, on a montré que la vision trichromate de l Homme dépend de l existence de trois types de cônes, différents par le pigment, de nature protéique, qu ils contiennent. D autre part, l appartenance de l Homme aux primates est rappelée en ouverture de cette unité. La démarche proposée ici vise d abord à s interroger sur les mécanismes évolutifs ayant abouti à la vision trichromate chez l Homme puis à étudier les relations de parenté entre primates sur la base de la vision des couleurs. Si des arguments anatomiques ont déjà été utilisés pour l établissement des parentés, et notamment en seconde générale (voir le manuel de SVT Seconde 2010, Thème 1, chapitre 6, pp ), les arguments moléculaires sont abordés ici pour la première fois dans le cursus. Des informations issues de l unité précédente peuvent être utilisées pour conduire au questionnement concernant l origine des gènes codant les opsines : la comparaison entre opsines montre des différences, très peu nombreuses entre opsine L et M. La nature protéique de ces pigments est établie, et les gènes qui les codent sont localisés (voir docs. 7 et 8, p. 297). Cela amène naturellement à une comparaison des séquences nucléotidiques de ces gènes, pouvant être mise en œuvre par l utilisation du logiciel Anagène (doc. 3). La comparaison des séquences peptidiques de l opsine S de différentes espèces de primates peut être également réalisée par l élève en utilisant le logiciel Phylogène : on proposera ainsi un arbre de parenté à partir de la matrice des différences entre séquences comparées deux à deux (doc. 5). 22 Thème 6 Chapitre 1

5 L utilisation des pigments rétiniens pour étudier les relations de parenté chez les vertébrés est également abordée dans l exercice 8 (p. 306), qui permet de réinvestir la démarche mise en œuvre ici. Pour aller plus loin, il est possible de construire d autres matrices de dissimilitudes à partir de séquences peptidiques de pigments rétiniens pour diverses espèces : ces séquences sont disponibles sur le site GenBank (en anglais) : L alignement des séquences peptidiques et leur comparaison peuvent être effectués en ligne avec le logiciel ClustalW2 (en anglais) : Ces deux sources proposent également de travailler sur des séquences nucléotidiques. ➊ Doc. 1 (Comparer des images et des graphiques pour extraire des informations et raisonner). La simulation de la vision d une même image par un chimpanzé et un saïmiri montre que la vision des couleurs du premier, trichromate, est comparable à celle de l Homme alors que le saïmiri semble incapable de distinguer le vert du rouge. Le spectre d absorption des différentes longueurs d onde de la lumière visible par les cônes rétiniens montre l existence de trois types de cônes chez le chimpanzé (dont les propriétés sont comparables à ce qui est observé chez l Homme, voir le doc. 6, p. 297) et seulement deux chez le saïmiri. Ceci confirme la dichromatie de ce dernier, incapable de distinguer le vert du rouge. ➋ Doc. 2 (S informer à partir d un tableau, mettre en relation des informations pour proposer une explication). Le chimpanzé et les autres primates de l Ancien monde possèdent, comme l Homme, un gène codant l opsine S sur le chromosome 7 et deux gènes codant les opsines L et M sur le chromosome X : cela explique qu ils disposent de trois types de cônes permettant une vision trichromate, comme l Homme. En revanche, le saïmiri et les autres primates du Nouveau monde ne possèdent que deux gènes codant des opsines : un gène sur le chromosome 7 code pour l opsine S et un gène sur le chromosome X code une opsine M/L (selon l allèle dont dispose l individu, l opsine fabriquée présente un maximum d absorption proche de celui de l opsine M ou de l opsine L de l Homme). En conséquence, le saïmiri ne possède que deux types de cônes, ce qui explique sa vision dichromate et son incapacité à distinguer certaines couleurs. NB : Le cas des primates du Nouveau Monde a été simplifié pour faciliter l approche par les élèves : puisqu il existe trois allèles différents pour le gène de l opsine M/L, les femelles (qui possèdent deux chromosomes X) peuvent être hétérozygotes pour ce gène : elles disposent alors de trois types de cônes différents et sont dans ce cas trichromates. L article «L évolution de la vision de la couleur chez les primates» de G. Jacobs et J. Nathans (Pour La Science n 389, mars 2010, pp ) fait le point sur ce sujet. ➌ Doc. 3 et 4 (Extraire des informations). Les séquences nucléotidiques des gènes des opsines L et M sont comparées à celle du gène de l opsine S. On constate qu un certain nombre de nucléotides sont identiques dans les trois séquences et qu il existe peu de différences (3 sur la centaine de nucléotides présentée) entre les séquences des gènes de l opsine M et de l opsine L (doc. 3). Les ressemblances entre séquences de gènes suggèrent une origine commune : ces gènes différents dériveraient d un même gène ancestral, qui aurait été dupliqué, chaque copie accumulant de manière indépendante des mutations expliquant les différences constatées aujourd hui (doc. 4). En raison de leur origine commune, ces gènes forment une famille multigénique. ➍ DOC. 5 (Extraire et mettre en relation des informations). Comme dit précédemment, les ressemblances entre les séquences des gènes des opsines des primates traduisent l origine commune de ces gènes. La comparaison des séquences protéiques de l opsine S, qui reflètent les séquences nucléotidiques des gènes qui les codent, permet donc d établir des parentés : puisque les mutations s accumulent au cours du temps, plus il y a de différences entre deux espèces, plus leur dernier ancêtre commun ayant transmis le gène codant l opsine S est éloigné. À l inverse, plus les séquences sont semblables, plus le lien de parenté entre espèces est étroit. La matrice des différences permet d identifier deux groupes d espèces qui présentent moins de 14 acides aminés différents entre les séquences d une espèce à l autre : cebus, alouate et saïmiri d une part, Homme, gorille, bonobo, chimpanzé et macaque d autre part. Deux espèces appartenant chacune à l un de ces deux groupes présentent au moins 23 différences dans la séquence protéique étudiée : le lien de parenté est donc plus étroit au sein de chacun de ces deux groupes, qu entre espèces de groupes différents. L analyse de cette matrice permet alors de construire l arbre de parenté proposé, où l on constate la séparation de ces deux groupes au cours de l évolution. D après le doc. 2, les espèces du groupe cebus/ saïmiri/alouate (primates du Nouveau monde) possèdent un gène codant pour une opsine M/L sur le chromosome X, les espèces du groupe Homme/bonobo/chimpanzé/gorille/macaque (primates de l Ancien monde) possèdent deux gènes codant les opsines M et L sur le chromosome X, traduisant une duplication génétique chez ces derniers. Celle-ci s est donc probablement produite après la séparation de ces deux groupes. ➎ En conclusion (Communiquer en rédigeant une synthèse). La comparaison des gènes d opsine (nombre de gènes d opsines, séquences d un même gène) montre que le lien de parenté est plus étroit entre l Homme et les autres primates de l Ancien monde, qu entre l Homme et les primates du Nouveau monde. Au sein de ce groupe, la comparaison des séquences du gène de l opsine S montre en outre que l Homme est plus étroitement apparenté au bonobo et au chimpanzé qu au gorille ou au macaque. Thème 6 Chapitre 1 23

6 Chapitre 2 Cerveau et vision : aires visuelles et plasticité cérébrale Unité 1 Les troubles cérébraux de la perception visuelle [pp du manuel de l élève] «Plusieurs aires corticales participent à la vision.» Exploiter des données notamment expérimentales pour comprendre qu une image naît des interactions entre différentes aires du cortex cérébral (doc. 1 à 6). Interpréter des observations médicales et/ou des imageries cérébrales chez l Homme (doc. 1 et 3 à 6). On peut envisager, pour introduire ce second chapitre, d utiliser diverses illusions d optique qui amènent l élève à l idée que l information visuelle est traitée par le cerveau. Cette unité et l unité suivante sont volontairement complémentaires. Elles aboutissent à construire les mêmes notions la mise en jeu de plusieurs aires corticales par la vision, la mobilisation de la mémoire dans les processus de reconnaissance visuelle en empruntant deux voies différentes : l analyse de pathologies (unité 1) et les observations par IRM fonctionnelle (unité 2). L anatomie cérébrale ainsi que l organisation du cortex visuel, non exigibles par le programme, sont rapidement présentées. On pourra compléter cette étude anatomique en utilisant par exemple le logiciel libre Braintutor (en anglais), téléchargeable à l adresse suivante : Plusieurs cas cliniques sont présentés : cécité corticale, achromatopsie, akinétopsie, agnosie de forme visuelle, prosopagnosie. Un autre cas d agnosie visuelle est développé dans l exercice 5, p D autres cas cliniques peuvent être utilisés, détaillés sur le site de l INRP : anomalies_vision. ➊ Doc. 1 et 2 (Recenser, extraire et organiser des informations). Le nerf optique relie la rétine dont il est issu au corps genouillé latéral, ce dernier étant lui-même relié à l aire visuelle primaire V1 (doc. 2). Le cortex visuel comprend plusieurs autres aires visuelles, nommées V2, V3, V4 et V5. Chez un patient qu une hémorragie cérébrale a privé de la vue, une IRM permet de localiser les lésions au niveau de l aire visuelle primaire V1. L aire visuelle primaire V1, premier point d arrivée des informations sensorielles émises par la rétine, est donc indispensable à la vision. ➋ Doc. 2 et 3 (Recenser, extraire et organiser des informations). Une lésion de l aire V4 entraîne un déficit de perception des couleurs, les autres fonctions visuelles n étant pas touchées (doc. 3). V4 est donc nécessaire à la perception des couleurs. De la même façon, V5 est nécessaire à la perception du mouvement. ➌ Doc. 4, 5 ET 6 (Recenser, extraire et organiser des informations). Une lésion du cortex inférotemporal entraîne un problème de reconnaissance des formes (doc. 4) et des difficultés de reconnaissance des visages (doc. 5 et 6). Le cortex inférotemporal, qui ne fait pas partie du cortex visuel au sens strict, est donc nécessaire aux processus de reconnaissance visuelle de formes ou de visages. ➍ En conclusion (Communiquer en rédigeant une synthèse). On peut proposer le modèle suivant : V1 reçoit les informations visuelles, qui sont ensuite transmises de façon simultanée à plusieurs aires cérébrales qui les traitent, comme V4 ou V5, ainsi qu au cortex inférotemporal. 24 Thème 6 Chapitre 2

7 Unité 2 L étude du cerveau en fonctionnement [pp du manuel de l élève] «L imagerie fonctionnelle du cerveau permet d observer leur activation lorsque l on observe des formes, des mouvements. La reconnaissance des formes nécessite une collaboration entre les fonctions visuelles et la mémoire.» Exploiter des données notamment expérimentales pour comprendre qu une image naît des interactions entre différentes aires du cortex cérébral (doc. 1 à 6). Interpréter des observations médicales et/ou des imageries cérébrales chez l Homme (doc. 1 à 6). Cette unité prend appui sur la technique de l Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). On pourra la présenter aux élèves (doc. 1), en lien avec un item du programme de physiquechimie de Première S : Lois et modèles/champs et forces/champ magnétique : sources de champ magnétique. Les images obtenues par IRMf (doc. 2 et 3) sont tirées du logiciel EduAnatomist en utilisant la banque de données NeuroPeda, disponible sur le site de l INRP : donnees_logicielneuroimagerie. Les données relatives aux sujets (vision des couleurs, doc. 2) et (vision des mouvements, doc. 3) ont été utilisées avec une amplitude de contraste Le logiciel EduAnatomist permet la mise en œuvre d une démarche scientifique. Il propose une banque de données d IRM anatomiques et d IRM fonctionnelles correspondantes lors de la réalisation de certaines tâches. À l élève d ouvrir les fichiers à partir de la banque NeuroPeda, de superposer les images anatomiques et fonctionnelles, d effectuer les réglages de contraste, puis de localiser les zones actives par rapport à la carte du doc. 2, p Avec un contraste de grande amplitude, toutes les zones cérébrales actives dans le processus apparaissent. Avec un contraste plus resserré, on constate que les aires apparaissent comme distinctes. L élève doit conclure à un traitement simultané de l information visuelle dans le cerveau par plusieurs aires visuelles, certaines étant plus actives lors du traitement de certaines informations que d autres. La localisation précise des aires cérébrales est à relativiser : elle est fonction de la nature exacte de la tâche demandée, de l anatomie cérébrale (donc du patient étudié), mais aussi du réglage du contraste (donc de l expérimentateur). Ceci explique, entre autres, les divergences bibliographiques dans la localisation de certaines aires visuelles. ➊ Doc. 1 à 3 (Percevoir le lien entre sciences et techniques, Recenser, extraire et organiser des informations). Les IRMf obtenues pour une tâche de vision des couleurs et pour une tâche de vision des mouvements ne sont pas superposables. Ces deux tâches ne mobilisent donc pas les mêmes aires visuelles. En comparant les IRMf observés et le doc. 1, p. 308, On peut proposer que l aire V4 est impliquée dans la vision des couleurs (doc. 2) et l aire V5 dans la vision des mouvements (doc. 3). ➋ Doc. 4 et 6 (Percevoir le lien entre sciences et techniques, Recenser, extraire et organiser des informations). Le doc. 4 montre que le gyrus fusiforme, localisé dans le cortex inférotemporal, s active lors de la reconnaissance de formes spécifiques, qu il s agisse d oiseaux reconnus par un expert en oiseaux ou de voitures reconnues par un expert en voitures. La reconnaissance d une image nécessite donc qu elle soit d abord perçue, par l activation des aires visuelles, puis reconnue par la mise en jeu du gyrus fusiforme. Le doc. 6 révèle toutefois que le gyrus fusiforme ne saurait à lui seul être associé à la mémoire visuelle : son activation est certainement nécessaire mais probablement pas suffisante. ➌ Doc. 5 (Communiquer dans un langage scientifiquement approprié). L information visuelle, arrivée en V1, suit deux voies. La voie dorsale, mobilisant V5 (vision des mouvements), est la voie du «où» qui permet la localisation spatiale des objets. La voie ventrale, mobilisant notamment V4 (vision des couleurs) et le cortex inférotemporal (reconnaissance des formes et des visages), est la voie du «quoi», qui permet la perception des caractéristiques des objets. ➍ En conclusion (Communiquer en rédigeant une synthèse). L IRMf est un outil puissant, très précieux dans l étude du fonctionnement cérébral. Elle permet de localiser précisément les zones actives dans le cerveau pour la réalisation d une tâche donnée. Thème 6 Chapitre 2 25

8 Unité 3 L effet des drogues sur la perception visuelle [pp du manuel de l élève] «Des substances comme le LSD perturbent le fonctionnement des aires cérébrales associées à la vision et provoquent des hallucinations qui peuvent dériver vers des perturbations cérébrales graves et définitives.» Interpréter des observations médicales et/ou des imageries cérébrales chez l Homme (doc. 1 à 7). Cette unité présente un grand intérêt pour les élèves de lycée car, outre les connaissances neurophysiologiques qu elle cherche à construire, elle traite de l utilisation des drogues, sujet de santé publique important au lycée. Il paraît nécessaire que les explications soient les plus claires possibles pour que l élève ait le bagage scientifique nécessaire à la connaissance des effets des drogues sur le cerveau et, par suite, à la prise de recul par rapport à la consommation de ces substances. Plutôt qu un discours trop arbitraire et non scientifique, il semble préférable de se concentrer sur les phénomènes cérébraux mis en jeu, notamment ceux relatifs aux risques sanitaires de la consommation de drogue. N ont pas été traités ici les risques relatifs aux comportements associés à la prise de drogue (et notamment la conduite automobile sous l emprise de stupéfiants). Même s ils ne sont pas exigibles par le programme, il paraît important de leur consacrer du temps. Cette unité sera complétée en terminale S par les mécanismes cellulaires de la transmission du message nerveux et notamment la transmission chimique au niveau de la synapse. En classe de Première, le but demeure de comprendre que les drogues, quelle que soit leur provenance (animale, végétale ou fongique), agissent sur le cerveau car elles contiennent des molécules dont la conformation spatiale proche de celle de molécules endogènes leur permet de se fixer sur des récepteurs/protéines et de modifier ainsi le fonctionnement cérébral. La spécificité de la liaison ligandrécepteur, sans avoir été vue explicitement au cours du cursus, n est a priori pas ignorée des élèves. Dans le cas contraire, l image la plus simple, utilisable pour la compréhension de ce phénomène, demeure le modèle «clef/serrure». ➊ Doc. 1,2 et 3 (Percevoir le lien entre sciences et techniques, Recenser, extraire et organiser des informations). On constate que les structures moléculaires tridimensionnelles de la sérotonine et de la psilocine sont très proches (doc. 2). Elles possèdent deux cycles composés des mêmes atomes et dont les formes sont exactement identiques. La psilocine peut activer les récepteurs normalement sensibles à la sérotonine dans le cerveau (doc. 3). On peut en déduire que les molécules de psilocine, de structure similaire au neurotransmetteur, se fixent aux récepteurs spécifiques de la sérotonine et modifient de manière importante le fonctionnement cérébral. ➋ Doc. 4 et 5 (Recenser, extraire et organiser des informations). Une personne ayant pris du LSD présente des perturbations de la perception importantes. La perception des stimuli visuels est notamment modifiée (doc. 4 et 5). Sous LSD, la personne peut percevoir des objets ou des personnes qui n existent pas ou se créer des lieux, des situations fantasmatiques. On parle dans ce cas d hallucinations. Le LSD mérite bien son nom de drogue hallucinogène (qui génère des hallucinations). ➌ Doc. 6 et 7 (Percevoir le lien entre sciences et techniques, Recenser, extraire et organiser des informations). Le doc. 7 mentionne les effets cérébraux généraux d une prise régulière d amphétamines ou d ecstasy : mouvements répétés de nombreuses fois, épuisement, agressivité ou troubles de l humeur. Le doc. 6 montre que la consommation d ecstasy, au niveau neurologique, provoque la mort de cellules nerveuses. On peut donc formuler l hypothèse que les phénomènes psychologiques observés chez l individu (doc. 7) ont vraisemblablement une base biologique. ➍ En conclusion (Communiquer en rédigeant une synthèse). Les drogues peuvent perturber le traitement des informations visuelles en se fixant à des récepteurs cérébraux, par similarité moléculaire, et modifier le fonctionnement des cellules du cerveau. L altération de la perception visuelle, responsable des hallucinations, peut ainsi s expliquer par la perturbation du fonctionnement du cortex visuel. À long terme, les conséquences d une prise de drogue importante et régulière se traduisent par des dysfonctionnements psychologiques pouvant être sérieux. 26 Thème 6 Chapitre 2

9 Unité 4 Le développement du cortex visuel [pp du manuel de l élève] «La mise en place du phénotype fonctionnel du système cérébral impliqué dans la vision repose sur des structures cérébrales innées, issues de l évolution et sur la plasticité cérébrale au cours de l histoire personnelle.» Recenser, extraire et organiser des informations pour comprendre le phénomène de plasticité cérébrale et son importance dans l établissement de différentes fonctions cognitives (doc. 3 à 6). Interpréter des expériences sur la maturation du cortex visuel chez l animal (doc. 1 et 2). Interpréter des observations médicales et/ou des imageries cérébrales chez l Homme (doc. 1 à 6). Cette unité vise à montrer qu il existe des structures cérébrales innées (le nerf optique est issu de la rétine, relié au corps genouillé latéral, lui-même relié à l aire visuelle primaire), mais que l essentiel de la mise en place du cortex visuel est réalisé après la naissance, en fonction de l environnement et des expériences sensorielles. On pourra ajouter qu aucun changement n est observable tardivement après la naissance et que ce type de plasticité ne peut donc avoir lieu que pendant certaines périodes de développement, appelées périodes critiques. Cette notion de période critique, essentielle dans le développement du cortex visuel, est mise en évidence dans l exercice guidé (exercice 4, p. 322), qui présente un complément lié aux travaux de Hubel et Wiesel et que l on reliera utilement aux doc. 1 et 2 de cette unité. La notion de plasticité cérébrale est abordée en Première S dans le cadre sensoriel. Elle le sera en Terminale S dans le cadre moteur. L exercice 7, p. 324 permet d approfondir la notion de plasticité cérébrale au cours du développement. On y développe comment, chez des individus non voyants de naissance, le cortex visuel est utilisé pour d autres fonctions. Il complétera les docs. 3 et 4 de cette unité, portant sur la plasticité du cortex visuel chez les non voyants. De la même façon l atelier Enquête p. 327 présente un dispositif de substitution sensorielle, visant à permettre à des personnes non voyantes de se repérer dans l espace et de percevoir des objets. ➊ Doc. 1 ET 2 (Recenser, extraire et organiser des informations). Lors d une expérience de privation monoculaire chez le singe, on observe un accroissement de la surface de la zone corticale visuelle correspondant aux radiations optiques issues de l œil non occlus (doc 2). Ainsi, une privation monoculaire au cours du développement modifie la distribution de la dominance oculaire en faveur de l œil non occlus. Cela suppose un réarrangement des connexions nerveuses impliquées dans le système visuel. Cette «plasticité» cérébrale est dépendante des stimulations visuelles reçues, donc de l environnement au sens large. Le cortex visuel du nouveau né n est donc pas totalement mis en place mais achève son organisation pendant les premiers mois de la vie. ➋ Doc. 3 A 5 (Recenser, extraire et organiser des informations). La perturbation expérimentale du cortex visuel d un individu aveugle de naissance amoindrit sa capacité de détection et de reconnaissance des caractères Braille (doc. 3 et 4). La reconnaissance du Braille mobilisant le sens tactile, il apparaît donc que le cortex visuel chez les aveugles de naissance n est plus impliqué dans la vision mais dans le toucher. Ceci suppose des réorganisations corticales particulièrement importantes. De même, chez un sujet voyant dont les yeux ont été bandés et à qui on enseigne la lecture du Braille, on observe une activation du cortex visuel pour la lecture de cet alphabet au bout de 5 jours (doc. 5). Ceci témoigne également de l existence d une plasticité chez l adulte. Dès le jour où l on retire le bandeau, le cortex visuel n est plus activé par la lecture du Braille : cette plasticité importante est en outre rapidement réversible. ➌ Doc. 6 (Recenser, extraire et organiser des informations). La tendance de la synesthésie à disparaître au cours de la vie suggère que les connexions cérébrales entre plusieurs aires sensorielles évoluent. C est par exemple le cas des connexions entre l aire visuelle V4, responsable de la vision des couleurs, et l aire spécialisée dans la reconnaissance des caractères. Ceci témoigne également de modifications cérébrales au cours du temps. ➍ En conclusion (Communiquer en rédigeant une synthèse). À la naissance, les connexions principales entre la rétine et le cortex visuel sont en place. Cependant, les connexions entre les différents éléments sont modifiables au cours du temps, témoignant de la plasticité du cerveau. Cette plasticité intervient au cours du développement ainsi que chez l adulte. Thème 6 Chapitre 2 27

10 Unité 5 La plasticité du cerveau et l apprentissage [pp du manuel de l élève] «De même la mémoire nécessaire par exemple à la reconnaissance d un visage ou d un mot repose sur la plasticité du cerveau. L apprentissage repose sur la plasticité cérébrale. Il nécessite la sollicitation répétée des mêmes circuits neuroniques.» Recenser, extraire et organiser des informations pour comprendre le phénomène de plasticité cérébrale et son importance dans l établissement de différentes fonctions cognitives (doc. 1 à 7). Interpréter des observations médicales et/ou des imageries cérébrales chez l Homme (doc. 1) Le nouveau programme de Première S axe toute l étude du fonctionnement cérébral sur la fonction visuelle. Ainsi, dans l unité présentée, la page de gauche traite directement du lien entre apprentissage visuel et modifications cérébrales. Cependant, il existe de nombreux autres exemples qui peuvent servir pour le cours et les évaluations des élèves. Ainsi, l apprentissage spatial (et visuel d ailleurs) de la localisation d une plateforme immergée dans le test dit de la piscine de Morris peut être une bonne solution pour diversifier les exemples. L exercice 8, p. 324 peut ainsi être mobilisé. La plasticité cérébrale peut être démontrée à plusieurs niveaux : morphologique, anatomique et cellulaire. Ce sont ces trois niveaux de plasticité qui permettent une plasticité fonctionnelle. Concernant les expériences historiques sur l aplysie (doc. 4 à 7), il peut être intéressant d encourager les élèves à faire une recherche sur Eric Kandel, prix Nobel et grande figure des neurosciences, dont les travaux, d une grande clarté, demeurent accessibles pour des lycéens. Une version animée de certaines expériences sur l aplysie est utilisable sur le site du Muséum national d histoire naturelle à cette adresse : ➊ Doc. 1 (Interpréter des observations médicales et/ou des imageries cérébrales chez l Homme). En comparant les deux IRMf, on observe que l entraînement de l individu à la lecture en miroir a modifié l activité de certaines structures cérébrales (doc. 1). Lors d une tâche de lecture en miroir, le gyrus fusiforme est davantage activé après qu avant l entraînement. Cela laisse supposer une plasticité de cette zone cérébrale. ➋ Doc. 1 a 3 (Recenser, extraire et organiser des informations). Le doc. 1 met en évidence une plasticité fonctionnelle du gyrus fusiforme dépendante d un apprentissage visuel. De manière générale, les neurones du cortex établissent de très nombreuses connexions avec d autres neurones (doc. 2). Ces connexions sont modifiées en permanence. Au cours d un apprentissage, notamment, on peut observer la formation de nouvelles connexions entre deux ou plusieurs neurones. Ces changements modifient la transmission du message nerveux dans le cerveau (doc. 3) et peuvent expliquer les modifications d activité cérébrale observées lors d un apprentissage (doc. 1). ➌ Doc. 4 a 6 (Recenser, extraire et organiser des informations). Les informations tirées du doc. 6 montrent que la persistance de la sensibilisation du réflexe de rétractation des branchies chez l aplysie n est pas identique suivant le protocole appliqué. Plus le nombre de stimulations électriques est important, plus la durée du phénomène de sensibilisation perdure dans le temps (et plus l amplitude de la réponse est importante, par ailleurs). ➍ Doc. 6 et 7 (Recenser, extraire et organiser des informations). L acquisition de la «mémoire» dans le cas du réflexe de l aplysie dépend du nombre de répétitions des stimulations lors de l «apprentissage» (doc. 6). Or, cette «mémoire» chez l aplysie repose sur un circuit de neurones simple : des neurones sensoriels sont connectés à des neurones intermédiaires, eux-mêmes connectés à des neurones qui déclenchent la rétractation des branchies (doc. 7). On observe également que ce circuit est sollicité par les stimulations mécaniques et électriques, détectées par les neurones sensoriels. La sensibilisation à long terme de l aplysie dépend donc de la sollicitation répétée de ce circuit de neurones. Les modifications des connexions entre les neurones de ce circuit après apprentissage indiquent que cette «mémoire» repose sur la plasticité des connexions entre neurones. ➎ En conclusion (Communiquer en rédigeant une synthèse). Au cours d un apprentissage, on peut observer des changements d activation de certaines zones du cerveau. Cette plasticité cérébrale repose sur la plasticité des connexions entre neurones, qui peuvent être modifiées lors d un apprentissage. Comme le montrent les expériences réalisées sur l aplysie, l apprentissage implique la sollicitation répétée de circuits de neurones. 28 Thème 6 Chapitre 2

11 1Exercices du thème 1 Les corrigés des exercices des rubriques «Évaluer ses connaissances» et «S'entraîner avec un exercice guidé» se trouvent à la fin du manuel (p. 328). Chapitre 1 5 une atteinte du champ visuel Formuler et éprouver une hypothèse [pp du manuel] 1. Le doc. 1 montre un déficit dans le champ visuel central. Sachant que la DMLA est consécutive à une dégénérescence de certaines cellules rétiniennes, on peut formuler l hypothèse que les cellules concernées sont localisées dans la région centrale de la rétine. 2. L observation du fond d œil montre une tache jaune au centre de la rétine, au niveau de la macula (qui comprend la fovéa en son centre), alors que la couleur normale de la rétine est orange sombre. La macula est donc bien le siège d une dégénérescence des cellules de la rétine. Cette zone, qui ne contient que des cônes, est celle où la vision présente la meilleure acuité. Il est donc normal que la DMLA affecte la vision précise de ce patient. 6 l origine du daltonisme S informer et raisonner 1. Alors que le daltonisme touche 8 % des hommes et 0,4 % des femmes (doc. 3, p. 296), 6 hommes sur 10 appartenant aux générations II et III de cette famille sont touchés. Les hommes daltoniens de la génération III sont frères ou cousins et ont deux oncles présentant la même caractéristique. La fréquence élevée du daltonisme dans cette famille plaide pour sa transmission héréditaire, donc pour son origine génétique. 2. Ce trouble de la vision des couleurs se définit par la présence de deux types de cônes seulement au lieu de trois : selon le type de daltonisme, les patients ne possèdent pas de cônes à opsine M ou à opsine L, expliquant leurs troubles de la perception du vert et du rouge. La vision de ces daltoniens est alors dichromate. Chez les daltoniens, le défaut d une de ces opsines est dû à une anomalie du gène qui la code. 3. Tous les individus daltoniens de cette famille sont des hommes, ce qui suggère que le daltonisme est un caractère héréditaire lié au sexe de l individu, mettant donc en cause les chromosomes sexuels. De père extérieur à la famille, ils sont également tous apparentés par leurs mères (II-2, II-6, II-11), dont aucune n est daltonienne. 4. Les gènes mis en cause dans le daltonisme sont ceux codant l opsine L ou l opsine M, tous deux localisés sur le chromosome X. Or, à la différence des femmes, les hommes ne possèdent qu un seul chromosome X soit un seul allèle pour les gènes codant les opsines L et M transmis par la mère. Un fils à qui la mère transmet un chromosome X porteur d un gène d opsine défectueux sera donc automatiquement daltonien. Une fille, en revanche, hérite d un autre chromosome X donc d autres allèles des gènes codant les opsines L et M de son père : elle a donc la possibilité de posséder au moins un allèle sain. Elle ne sera daltonienne qu à la condition que ses deux chromosomes X soient porteurs d anomalies génétiques, événement bien plus rare. 7 primates nocturnes et primates diurnes Analyser des données et raisonner 1. Les deux portions de rétines étudiées comportent des cônes et des bâtonnets, mais les cônes sont plus nombreux dans la rétine du macaque. 2. Les cônes ont un seuil de sensibilité minimal d environ 10 3 lux (pour une longueur d onde d environ 550 nm) alors que les bâtonnets ont un seuil de sensibilité minimal de 1 lux (pour une longueur d onde de 500 nm). Sur la totalité du spectre visible, à toutes les longueurs d onde, ces derniers sont en outre sensibles à de plus faibles intensités lumineuses que ne le sont les cônes. 3. La rétine du douroucouli, pauvre en cônes mais riche en bâtonnets très sensibles à de faibles intensité lumineuses, lui permet de mieux voir pendant la nuit, lorsqu il recherche sa nourriture. La rétine du macaque, avec ses nombreux cônes nécessitant une intensité lumineuse plus importante, est moins adaptée à la vision de nuit mais lui assure une bonne perception visuelle le jour. 8 pigments rétiniens et évolution chez les vertébrés S informer et raisonner 1. La séquence peptidique d une protéine traduit la séquence nucléotidique du gène qui la code. La comparaison effectuée sur la séquence peptidique de la rhodopsine de 7 espèces de vertébrés montre une proportion élevée d acides aminés identiques qui indique une relation de parenté entre ces espèces. Le nombre de différences peut être utilisé pour établir un degré de parenté entre ces espèces : plus il y a de différences, plus le dernier ancêtre commun à ces deux espèces est éloigné. Moins il y a de différences entre les rhodopsines de deux espèces, plus le lien de parenté entre elles est étroit. Entre la rhodopsine du rat et celle de l Homme, le nombre de différence est le plus faible : 95 % d acides aminés identiques. Parmi toutes celles présentées ici, ces deux espèces sont les plus étroitement apparentées. 2. Les différences observées entre espèces peuvent résulter de mutations qui s accumulent au cours du temps pour le gène codant la rhodopsine chez chaque espèce, depuis sa transmission par leur dernier ancêtre commun. Thème 6 exercices 29

12 Chapitre 2 5 un cas d agnosie visuelle Pratiquer une démarche scientifique. [pp du manuel] Le patient J. S éprouve des difficultés à reconnaître les formes, mais ses capacités à se repérer dans l espace sont intactes. L IRM montre que des zones cérébrales ventrales, distinctes du cortex visuel primaire sont touchées. La reconnaissance des formes implique donc la collaboration entre plusieurs aires visuelles : V1, ainsi que des aires localisées au niveau ventral. Ces résultats sont cohérents avec l existence de deux voies visuelles (voie du «où», dorsale, et voie du «quoi», ventrale). Ici, l AVC a entraîné un dysfonctionnement de la voie ventrale tout en préservant la voie dorsale. 6 les effets du LSD sur la vision Recenser, extraire et organiser des informations. 1. Les structures moléculaires montrent une similarité tridimensionnelle assez importante entre la sérotonine et le LSD. Il y a notamment deux cycles communs aux deux molécules. On peut formuler l hypothèse que le LSD est susceptible de se fixer sur les récepteurs à sérotonine des neurones et perturber ainsi le fonctionnement cérébral. 2. Les souris génétiquement modifiées, dont les récepteurs à la sérotonine ne sont pas exprimés, présentent un taux de troubles visuels liés au LSD nettement plus bas que les souris témoins (environ 35 % de troubles constatés par rapport aux souris témoins). La sensibilité au LSD est donc fortement diminuée en l absence des récepteurs à la sérotonine. L hypothèse selon laquelle les perturbations visuelles induites par le LSD sont provoquées par la fixation de celui-ci sur les récepteurs à la sérotonine est donc renforcée. 7 les capacités de mémorisation des aveugles Recenser, extraire et organiser des informations. 1. L IRMf montre que l aire V1 est spécifiquement activée chez les non voyants de naissance lors d une tâche de mémorisation verbale. Les patients aveugles de naissance utilisent donc l aire visuelle primaire (V1) pour ce processus. 2. On constate sur le graphe que l activation de V1 chez les aveugles est nettement corrélée à leurs compétences de mémorisation verbale. Plus la mémorisation est efficace, plus l activité observée de V1 est grande. Au contraire, l activité de V1 reste très faible chez les sujets voyants, quelle que soit leur capacité de mémorisation. Ceci suggère que l aire visuelle primaire est utilisée chez les non voyants pour cette tâche de mémorisation verbale, mais ne l est pas chez les sujets voyants. Cette expérience met en évidence la plasticité cérébrale : l aire visuelle primaire, non utilisée pour la vision chez les non-voyants de naissance, est «recyclée» pour des tâches de mémorisation visuelle. 8 une protéine impliquée dans la plasticité du cortex Pratiquer une démarche scientifique. 1. Ce test montre que les souris transgéniques ont des capacités d apprentissage bien plus faibles que les souris témoins car : au fil des répétitions de la première expérience, le temps mis par ces souris pour trouver la plateforme est en moyenne nettement plus important (29 secondes contre 8 secondes pour les témoins) ; après retrait de la plateforme, elles passent beaucoup moins de temps dans la zone où se trouvait la plateforme (32 % contre 57 % pour les souris témoins), suggérant une plus faible mémorisation. 2. Le fait que les souris transgéniques, dont la protéine CamKII a été altérée par transgénèse, présente des performances moindres à ce test laisse supposer que cette protéine joue un rôle important dans les processus d apprentissage. Si ça n était pas le cas, les performances des deux lots de souris auraient dû s avérer identiques. Objectif bac [p. 325 du manuel] L étude d un trouble visuel Doc. 1. La simulation du champ visuel du patient montre une large amputation périphérique (vision «en tunnel»). Seule la vision centrale est préservée, ce qui explique que le patient, ne voyant pas les obstacles sur les trottoirs, se cogne en marchant dans la rue. Plusieurs hypothèses sont envisageables pour expliquer ces symptômes : altération de la rétine périphérique, lésion du nerf optique ou lésion du cortex visuel. Cependant, l observation du fond d œil révèle une pigmentation anormale de la périphérie de la rétine, suggérant un dysfonctionnement. Ce patient mentionne de plus une sévère baisse de la vision au crépuscule, soit en condition de faible luminosité (vision scotopique). Or, on sait que les photorécepteurs de la rétine périphérique sont très majoritairement des bâtonnets, très sensibles à la lumière et mis en jeu dans la vision scotopique. C est un argument supplémentaire en faveur d une atteinte de la rétine périphérique. Doc. 2. L électrorétinogramme reflète l activité électrique de la rétine en réponse à une stimulation lumineuse. Pour tester l hypothèse d une lésion de la rétine périphérique, mise en jeu dans la vision scotopique, il est logique d effectuer cet examen dans des conditions de faible luminosité. La comparaison des résultats obtenus chez le patient et chez un témoin montre que ni la rétine de l œil droit, ni celle de l œil gauche, ne répond à une stimulation visuelle en conditions scotopiques. Ce résultat valide l hypothèse d une lésion de la rétine périphérique. Doc. 3. Afin de produire un diagnostic complet, il est possible de vérifier l intégrité des voies visuelles en enregistrant l activité du cortex visuel lors d une stimulation visuelle. Pour le patient, cet enregistrement est comparable à celui d un individu témoin : le message nerveux visuel est donc acheminé au cortex dans des conditions normales, excluant de fait la possibilité de lésions au niveau des voies visuelles. 30 Thème 6 exercices

13 NB : les différences constatées entre les deux tracés ne sont pas significatives. En clinique, on observe l allure générale du tracé et on repère les trois ondes principales et leurs caractéristiques (ex : temps de culmination de l onde P100, positive à 100 ms, amplitude N75-P100). Conclusion. Les examens cliniques réalisés permettent d identifier une lésion de la rétine périphérique (pigmentation anormale, absence de réponse à une stimulation lumineuse en conditions scotopiques), expliquant les symptômes du patient, et d exclure une atteinte des voies visuelles. Le cas présenté ici est celui d un patient atteint d une rétinite pigmentaire. Il s agit d un ensemble de maladies héréditaires caractérisées par une dégénérescence progressive des photorécepteurs (des bâtonnets d abord, puis des cônes, dans la majorité des cas) associée à un dysfonctionnement de l épithélium pigmentaire à l origine des dépôts de pigments visibles sur le fond d œil. Thème 6 exercices 31