Enseignement scientifique, 1 ère L

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1 Enseignement scientifique, 1 ère L

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6 La représentation visuelle que nous avons du monde extérieur est le fruit d'une construction cérébrale réalisée à partir des signaux lumineux captés par notre œil. La vision est un des cinq sens qui nous permet d appréhender notre environnement. Pour l espèce humaine, c est le sens le plus développé car 40 % des informations perçues par les organes des sens le sont par l œil.

7 Rappel : La lumière est un ensemble d ondes électromagnétiques mesurées en nanomètres. Seules les ondes dont la longueur d onde est comprise entre 380 nm (violet) et 780 nm (rouge) sont visibles (on parle de «lumière visible»).

8 a. L anatomie de l œil Schéma de l organisation générale de l œil observé en coupe sagittale

9 cristallin cornée sclérotique choroïde rétine iris fovéa pupille papille humeur aqueuse corps ciliaire nerf optique humeur vitrée

10 Chez les Vertébrés, l'œil est limité par trois enveloppes emboîtées : Une première couche externe blanche et résistante, la sclérotique ; Sous la sclérotique, se trouve la choroïde qui est une fine couche sombre ; La rétine est la couche la plus interne de l œil, elle tapisse entièrement la cavité oculaire et elle est richement vascularisée. Elle se prolonge à l arrière de l œil par le nerf optique.

11 L œil comprend également des milieux transparents qui laisse passer la lumière : Sur le devant de l œil la sclérotique devient transparente et forme la cornée ; La partie antérieure de la choroïde constitue l iris ; c est lui qui donne sa couleur à l œil et délimite la pupille. Entre la cornée et le cristallin se trouve une cavité antérieure remplie par un liquide transparent produit par le corps ciliaire : c est ce qu on appelle l humeur aqueuse. Derrière le cristallin se trouve une autre cavité, remplie d une substance gélatineuse : l humeur vitrée.

12 b. La formation des images dans l œil Le cristallin est une véritable lentille convexe capable de se déformer grâce aux muscles du corps ciliaire. La déformation du cristallin s appelle l accommodation (la «mise au point»). De par sa structure, le cristallin est à l origine de la formation d images plus petites et inversées sur la rétine. Le cerveau doit donc analyser les données perçues par l œil et reconstituer une image aux bonnes dimensions et orientée correctement.

13 B A A B

14 L iris est également capable, en s ouvrant et en se fermant, de régler la quantité de lumière entrant dans l œil («le réflexe pupillaire») : Lorsque la luminosité est faible, l iris s ouvre pour laisser rentrer un maximum de lumière ; Lorsque la luminosité est élevée, l iris se ferme pour éviter les éblouissements. En lumière faible En lumière forte

15 a) La structure cellulaire de la rétine

16 Humeur vitrée Couche granuleuse interne Couche plexiforme interne Couche granuleuse moyenne Couche plexiforme externe Couche granuleuse externe Couche pigmentaire Choroïde Coupe de rétine humaine observée au microscope photonique (x180) + voir doc. 4 p 9

17 Neurone ganglionnaire Neurone bipolaire 1. Cône 2. Bâtonnet Schéma de l organisation de la rétine humaine

18 Cônes et bâtonnets observés au microscope électronique à balayage.

19 La rétine est un tissu nerveux composé de différentes couches cellulaires : Une couche de cellules ganglionnaires qui se prolonge pour former le nerf optique ; Une couche de cellules bipolaires ; Une couche de photorécepteurs (les cônes et les bâtonnets) ; L épithélium pigmentaire, de couleur noire (mélanine), la couche la plus externe de la rétine. La rétine est un donc tissu nerveux dont le revêtement est constitué de photorécepteurs reliés à une chaîne de neurones.

20 L œil : une caméra haute définition La lumière est reçue par l œil comme par une caméra : un diaphragme, l iris, permet de régler la quantité de lumière passant à travers la pupille. Les rayons lumineux sont déviés par réfraction lors de la traversée de milieux transparents (cristallin principalement) comme ils le sont par les lentilles d un objectif. L analogie est suffisante pour que notre œil soit qualifié de «camérulaire». On appelle «définition de l image», le nombre de capteurs par mm². Elle diffère de manière importante entre une caméra, aussi perfectionnée soit-elle, et notre œil. La rétine de notre œil contient environ capteurs par mm² dans sa région centrale, chacun d entre eux correspondant à un point de l image. Pour les caméscopes grand public, le nombre de capteurs est de par mm²... D après Science et Vie, novembre 1994 La rétine possède un très grand nombre de photorécepteurs. Mais ceux-ci ne sont pas répartis équitablement : Il n y a pas de photorécepteurs au niveau du point aveugle qui correspond au point de départ du nerf optique (voir expérience de Mariotte).

21 180 densité densité cônes densité bâtonnets côté nasal côté temporal fovéa position en / fovéa Distribution des photorécepteurs au niveau de la rétine

22 Fovéa Au niveau de la fovéa, la zone la plus centrale de la rétine, on ne trouve que des cônes. En s éloignant de cette zone, la densité de cônes diminue et celle des bâtonnets augmente.

23 b) Acuité et champ visuel L'acuité visuelle est la grandeur qui permet de mesurer la capacité de l'oeil de discriminer 2 points distincts, ceci en fonction de la distance qui sépare les deux points et l'éloignement de l'observateur. Ce phénomène porte aussi le nom de discrimination visuelle. Pour la mesurer on utilise des tests optométriques comme le test de Monoyer. Pour 10/10e on parle d une acuité dite "normale". Pour 3/10e il s'agit d'une acuité visuelle "faible". Pour 16/10e il s'agit d'une trés bonne acuité visuelle.

24 Voir doc. 9 p 11 L'acuité visuelle est maximale, en vision centrale, au niveau de la fovéa, zone où les cônes sont les plus abondants.

25 Le champ visuel binoculaire correspond à l espace perceptible par les deux yeux sans que le sujet ne bouge la tête. Expérience d Overton et Wiener

26 Détermination des champs visuels en lumière blanche et en lumière colorée : activité 2 p 28 et 29 Chez l Homme, champ visuel a une étendue légèrement inférieure à 180 selon l axe horizontal et 120 selon l axe vertical.

27 De plus, d après cette expérience, la perception des différentes couleurs n est pas uniforme dans le champ visuel. Elle est maximale dans la fovéa où les cônes sont les plus abondants. Leur rôle est donc de percevoir les couleurs et leur répartition n est pas homogène dans la rétine. c) La fonction des photorécepteurs Test de fatigue récepteurs rétiniens. On voit une image de couleur complémentaire. La lumière colorée a provoqué l excitation soutenue de récepteurs rétiniens sensibles à ces radiations. Lorsqu on revient en lumière blanche, ces récepteurs ne réagissent plus et ce sont ceux sensibles à l autre partie du spectre lumineux qui fonctionnent normalement.

28 Toutes les images se forment sur la rétine sont «gardées en mémoire» par la rétine. Ce phénomène dure environ 1/12ème de seconde. Cela correspond au temps nécessaire pour que les photorécepteurs redeviennent à nouveau sensibles à la lumière. Ce phénomène s'appelle la persistance rétinienne. Découverte vers 1820, ce phénomène a été fondamental pour l invention du cinéma et de la télévision.

29 Activité 3 p 29 La rétine humaine comprend trois types de cônes qui présentent un maximum de sensibilité pour une longueur d onde et donc pour une couleur donnée :

30 Les cônes sensibles au bleu-violet (450nm) Les cônes sensibles au vert (550nm) Les cônes sensibles au jaune-rouge (590 nm) Les cônes sont beaucoup moins sensibles à la lumière que les bâtonnets. Ils ne sont actifs que pour une intensité lumineuse forte comprise entre 10 2 et 10 5 lux. Les bâtonnets sont les cellules photoréceptrices fonctionnelles en faible éclairement (de 1 à 10 2 lux). Remarque : le daltonisme Maladie découverte et décrite par le mathématicien et physicien John Dalton (1794) lui-même atteint par cette déficience.

31 Les confidences d'un daltonien (R. Davids) J'ai toujours trouvé que, outre son prénom singulier, il y avait quelque chose de bizarre chez mon frère Orion : la façon dont il parlait des couleurs. Un matin de juin, par exemple, alors que nous étions tous les six, mes frères et moi, en train de traire les vaches dans notre ferme, Orion s'extasia sur le "magnifique" arc en ciel qui venait de faire son apparition. Magnifique? Qu'est-ce que tu nous chantes? dit Georges, mon frère aîné. Je ne vois vraiment pas ce qu'il y a de magnifique dans un arc en ciel (...). C'était un arc en ciel tout ce qu'il y a de plus ordinaire, tel que j'en avais toujours vu : deux bandes de couleur, une bleue, une jaune, toutes les deux affreusement fades (...). La triste vérité (nous ne devions la découvrir que plus tard) était que sur nous six, cinq ne percevaient pas les couleurs. Notre infirmité, impossible à corriger, s'appelle daltonisme du nom d'un chimiste anglais du début du XIXe siècle qui en était atteint (...). Pour moi, la betterave est d'un bleu presque noir et je ne vois aucune différence entre le sang et l'huile de vidange d'un carter. C'est à l'école primaire que j'ai pris pour la première fois conscience de mes difficultés avec les couleurs. Je m'étais un jour donné beaucoup de mal pour colorier une carte et, quand le professeur la montra à toute la classe, je crus que c'était pour la faire admirer..., mais tout le monde éclata de rire. Mes océans étaient de couleur pourpre! Je ris avec les autres, mais j'étais profondément mortifié. Pourtant la certitude de mon infirmité ne s'imposa à moi que lentement. Pendant les cours de chimie, le rose et le bleu du papier tournesol me laissaient perplexe, ainsi que l'identification de certaines substances par la couleur de leur flamme. L'élève le moins doué de la classe savait reconnaître le violet du potassium et le bleu du plomb. Pas moi. Je renonçai à une carrière scientifique. Le bleu et le violet sont pourtant des couleurs que nous voyons, mes frères et moi. Mais nous sommes incapables de les distinguer l'une de l'autre (...). Mais enfin, me dira-t-on, n'y a-t-il aucune nuance de rouge qui vous paraisse rouge? Il m'est impossible de répondre à cette question, car je n'ai aucun moyen de savoir ce qu'est le rouge pour un œil normal. Pour moi, c'est une sorte de noir clair, assez agréable mais pas voyant du tout. Je ne distingue pas la viande bleue de la viande cuite à point, une tomate mûre d'une tomate verte, je ne peux pas savoir si une femme met du rouge à lèvres (...). Le daltonisme est une maladie génétique affectant les gènes des pigments photosensibles des cônes. Les gènes des pigments sensibles au rouge et au vert se situent tous les deux sur le chromosome X. Le gène codant le pigment sensible au bleu se trouve sur le chromosome numéro 7. Extrait de Sciences et Vie junior. Dossier n 23 : La couleur

32 La vision des couleurs chez les daltoniens Il existe différents types de daltonisme. Un daltonien pronatope ne voit pas les rouges et ne distingue pas les violets des bleus. Un daltonien deutéranope ne voit pas les verts et ne distingue pas les jaunes des rouges. Enfin, un daltonien trinatope ne voit pas les bleus et ne distingue pas les violets des rouges. Il existe donc trois dichromies différentes : Protanopie : perception du vert et du bleu seulement, Deutéranopie : perception du rouge et du bleu seulement, Tritanopie : perception du rouge et du vert seulement Chez les individus dichromates, l un des trois pigments des cônes fait défaut soit parce que le gène correspondant est absent, soit parce qu il existe sous une forme différente. Le test chromatique d Ishihara permet de déceler les troubles de la perception du rouge et du vert.

33 Un déficient rouge-vert voit le chiffre 7. Un déficient rouge-vert voit le chiffre 70.

34 Vision normale : 42. Protanopes forts lisent : 2. Deutéranopes graves lisent : 4. Vision normale et les dischromates très faiblement atteints ne perçoivent rien. Déficient rouge-vert : un seul tracé.

35 a) La naissance du message nerveux Chaque photorécepteur (1) est connecté à un ou plusieurs neurones bipolaires (2). Les photorécepteurs captent la lumière grâce à leurs pigments (la rhodopsine) et produisent un courant électrique qui sera transmis aux cellules bipolaires et ganglionnaires.

36 b) De la rétine au cerveau L hémisphère cérébral droit reçoit les informations du champ visuel droit de chaque œil. L hémisphère cérébral gauche reçoit les informations du champ visuel gauche de chaque œil. Pour que cela soit possible, les nerfs optiques se croisent au niveau d une région appelée le chiasma optique.

37 Entre le chiasma optique et le reste du cerveau, il existe une importante zone de relais synaptiques entre les neurones du nerf optique et les neurones du cortex visuel. Au niveau d une synapse, le message nerveux électrique devient chimique puis redevient électrique.

38 C est au niveau de ce relais synaptiques que des substances chimiques hallucinogènes peuvent perturber la perception visuelle en se fixant sur les neurones à la place des substances produites naturellement par le cerveau, les neurotransmetteurs.

39 c) L intégration de l information par le cerveau Grâce à une TEP ou à un IRM, on sait que les informations visuelles sont tout d abord intégrées dans le lobe occipital, au niveau de l aire visuelle primaire (V1). Sa destruction entraîne une cécité complète.

40 Cas A : On demande à un patient de cocher, dans chacune des séries, l'objet qui figure au début de la ligne. Ce patient a été intoxiqué au monoxyde de carbone. Les neurones de l'aire corticale V3 sont particulièrement sensibles au monoxyde de carbone. Cas B : Un patient a essayé de reproduire un tableau associant des formes et des couleurs variées. Des examens complémentaires ont montré que cette personne souffre d'une lésion de l'aire corticale V4 ; les autres parties du cortex visuel ne sont pas atteintes.

41 Document a : quand le sujet a des illusions aux couleurs intensifiées Document b : quand le sujet a des illusions aux formes distordues et en mouvement Les informations visuelles sont ensuite prise en charge par des aires cérébrales spécialisées : l aire V3 qui est spécialisée dans la perception des formes. l aire V4 qui est spécialisée dans la perception des couleurs. L aire V5 qui est spécialisée dans la perception des mouvements.

42 Document c : Les aires corticales. Chez un sujet ayant des hallucinations, les aires V1, V4, V5 et temporales sont actives Une aire supplémentaire, l aire temporale, est impliquée dans l identification des objets. Il existe donc une spécialisation fonctionnelle des aires visuelles que l on peut regrouper en deux grands ensembles : un ensemble du «où» qui permet la localisation et la perception du déplacement dans l espace. un ensemble du «quoi» qui permet l identification des objets (couleur et forme).

43 Cortex visuel Primaire Arrivée des messages nerveux en provenance du champ visuel rétinien V3 Traitement des couleurs V4 Perception des formes V5 Analyse du mouvement CERVEAU Lobe temporal Reconnaissance des objets Schéma de la perception et de l intégration du message nerveux visuel par le cerveau

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45 Marché d'esclaves avec le buste de Voltaire disparaissant. Salvador Dalí

46 La première planche parmi les dix du test de Rorschach

47 Expérience 1 : Etude de la maturation du cerveau d une souris dans deux conditions d éclairement (a et b). Lors de la maturation du cerveau, on peut observer sur les fibres des neurones de nombreuses épines» : ce sont des excroissances bulbeuses sur lesquelles peuvent s'effectuer les connexions synaptiques. La photographie a montre une fibre nerveuse du cortex visuel d'une souris, 48 heures après la naissance. La photographie b correspond à la même observation chez une souris de 48 heures privée de lumière dès la naissance. Expérience 2 : Etude des résultats de d une occlusion oculaire précoce chez le chat. Les schémas ci-dessous représentent les connexions de fibres nerveuses sur quatre neurones dans la zone de relais synaptiques du cerveau. Les deux couleurs différencient les voies issues de chacun des deux yeux. Les neurones d'un chaton âgé d'une semaine (en haut) reçoivent des messages provenant des deux yeux. Au cours du développement normal (au milieu), chaque neurone ne conserve des connexions qu'avec un seul œil (il se forme une alternance de neurones affectés à chaque œil). Si l'on suture l'un des deux yeux dès la naissance (en bas), la plupart des cellules établissent des connexions avec les fibres provenant de l'œil restant fonctionnel.

48 La perception visuelle est caractéristique de l espèce car elle est déterminée génétiquement (l inné). Ex. Le daltonisme Elle dépend aussi de l expérience individuelle (l acquis). Les expériences acquises pendant l enfance sont primordiales pour le développement cérébral. Expérience 1 Le cortex visuel est donc doué de plasticité et son développement dépend des stimulations de notre environnement. Expérience 2 Aucun cerveau ne voit le monde exactement comme un autre.