Thème 1 1ère ES et L Représentation visuelle Thème 1 Activité 3
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Thème 1 1ère ES et L Représentation visuelle Activité 3 : Voies et aires visuelles, perception et plasticité cérébrales Thème 1 Compétences travaillées Notions à construire Les messages nerveux visuel emprunte des voies nerveuses jusqu’au cortex cérébral. L’imagerie fonctionnelle du cerveau permet d’identifier et d’observer des aires spécialisées dans la reconnaissance des couleurs, des formes ou du mouvement. La reconnaissance d’un mot écrit nécessite la collaboration entre aires visuelles, mémoire et des structures liées au langage. Attitudes Capacités Déterminer le rôle de l’organisation anatomique des voies visuelles dans la perception d’une image Expliquer à partir de résultats d’exploration fonctionnelle du cerveau (ou d’étude de cas cliniques) la notion de spécialisation fonctionnelle des aires visuelles Etablir des relations entre coopération des aires cérébrales, plasticité des connexions et activité de lecture Faire preuve d’autonomie Manifester sens de l’observation et curiosité Comprendre le lien entre Sciences et Techniques Une lésion accidentelle de certaines régions du cerveau ou des nerfs qui relient les yeux au cerveau entraîne une cécité alors même que les yeux sont restés intacts. Les photorécepteurs stimulés génèrent des messages nerveux visuels transmis jusqu’à certaines régions cérébrales qui les intègrent et forment l’image correspondante. A partir des documents proposés et vos connaissances, reconstituez l’organisation des voies visuelles depuis la rétine jusqu’au cerveau, identifiez les zones du cerveau impliqué dans la sensation puis la perception visuelle. Vous montrerez que ces aires visuelles sont en réseau avec d’autres aires du cerveau lors d’activité nécessitant une mémoire visuelle et expliquerez le terme de plasticité cérébrale. Document 1 : IRM ou Imagerie par Résonance Magnétique L’IRM est une technique non invasive d’imagerie médicale d’apparition relativement récente (début des années 1970) permettant d’obtenir des vues 2D ou 3D du corps vivant. L’IRM repose sur la résonance magnétique nucléaire (RMN). Son principe est le suivant : En appliquant sur une partie du corps un fort champ magnétique associé à une combinaison d’ondes électromagnétiques à haute fréquence (appelées ondes radio) et en mesurant le signal réémis par certains atomes (en particulier l’hydrogène), il est possible de déterminer la composition chimique et donc la nature des tissus biologiques en chaque point du volume auquel le champ magnétique a été appliqué. À partir des années 1990 a été mise au point la technique d’IRM fonctionnelle (IRMf) qui permet de mesurer l’activité des différentes zones du cerveau. La technique consiste à enregistrer des variations minimes et locales des propriétés (débit sanguin, oxygénation) du flux sanguin cérébral lorsque des zones du cerveau sont stimulées. La localisation des zones cérébrales activées est basée sur l’effet BOLD (Blood Oxygen Level Dependant), lié à l’aimantation de l’hémoglobine contenue dans le sang. « L’exploitation de ces données est inséparable de la compréhension des protocoles expérimentaux qui ont présidé à leur construction. Le protocole le plus simple consiste à acquérir une série d’images en condition ON (tâche sensorielle ou motrice par exemple) et une série en condition OFF (sans stimulation ou sans mouvement). A partir des images moyennes obtenues dans chaque condition, on construit alors une image de différence (pour chaque voxel (=pixel en 3D) un test de différence statistique représentatif est réalisé entre les conditions ON et OFF), cette image est appelée calque fonctionnel. Le calque fonctionnel est ensuite superposé à l’image anatomique correspondante pour une interprétation des régions cérébrales statistiquement actives ». 1 Thème 1 1ère ES et L Représentation visuelle Sources : http://fr.wikipedia.org/wiki/Imagerie_par_résonance_magnétique http://acces.inrp.fr/acces/ressources/neurosciences/methodes_etude_cerveau/irm_atomique_et_fonctionnelle/irm_generalites/generalites-sur-lirm Document 2 : Observation anatomique des voies visuelles par IRM Logiciel : Eduanatomist Fichier : IRMsujet1212anat ou IRMsujet1211anat Tutoriel pour Eduanatomist : http://acces.enslyon.fr/acces/ressources/neurosciences/Banquedonnees_logicielneuroimagerie/eduanatomist/tutoriel-eu/fullscreen Les fonctionnalités du logiciel EduAnatomist permettent de visualiser les voies nerveuses reliant l’oeil à l’encéphale sur des IRM de la banque Neuropeda. « Les nerfs optiques sont constitués de faisceaux de fibres nerveuses. Au niveau du chiasma optique, localisé derrière les orbites, il y a séparation de deux ensembles de faisceaux de fibres optiques du nerf optique. Les faisceaux provenant de la rétine « nasale » vont se croiser et changer de côté tandis que les faisceaux provenant de la rétine « temporale » restent du même côté. Les nerfs arrivent ensuite dans les corps genouillés latéraux. A cet endroit les fibres nerveuses des nerfs optiques transmettent le message nerveux à d’autres neurones. Les informations sont ensuite dirigées vers le cortex visuel » Document 3 : Etude de l’organisation fonctionnelle des voies visuelles par cas clinique, IRMf et sections de faisceaux nerveux Etudes de cas cliniques : Patient atteint d’héminégligence http://acces.ens-lyon.fr/acces/ressources/neurosciences/vision/enseigner/voies-visuelles/voies-visuelles-documents-eleves/casclinique-madame-x Patient atteint d’hémianopsie latérale gauche http://acces.ens-lyon.fr/acces/ressources/neurosciences/vision/enseigner/voies-visuelles/voies-visuelles-documentseleves/cas-clinique-patient-y Patient atteint d’hémianopsie bilatérale. http://acces.ens-lyon.fr/acces/ressources/neurosciences/vision/enseigner/voies-visuelles/voies-visuelles-documents-eleves/casclinique-patient-z Logiciel : Eduanatomist Fichier : IRMsujet131311anat, IRMsujet131311fonctionVisionRetinotopieAnglepolaire Tutoriel Eduanatomist : http://acces.ens-lyon.fr/acces/ressources/neurosciences/Banquedonnees_logicielneuroimagerie/eduanatomist/prise-en-main-du-logicieleduanatomist-et-visualisation-dimages-anatomiques-et-fonctionnelles On propose à un individu d’observer un objet dans son champ visuel droit ou gauche. On observe l’activité de son cortex cérébral en IRM fonctionnelle. ATTENTION : Les seuils de visualisation des images fonctionnelles sous Edu Anatomist sont à fixer à 0 pour le seuil inférieur et 100 pour le seuil supérieur. Choisir alors comme palette d’affichage de l'image fonctionnelle « blue-red fusion » pour obtenir le codage du champ visuel correspondant à celui du stimulus du secteur angulaire tournant le mode de codage couleur des images fonctionnelles proposées ne correspond pas à la signification statistique de l’activation des différentes régions cérébrales mais au codage des régions du champ visuel testées : - codage avec des couleurs froides (bleu) lorsque le secteur en rotation parcours la partie gauche du champ visuel - codage avec des couleurs chaudes (orange / rouge) lorsqu’il parcours la partie droite. 2 Thème 1 1ère ES et L Représentation visuelle Des expériences de section de faisceaux nerveux sont réalisées à différents points des voies visuelles. 3 Thème 1 1ère ES et L Représentation visuelle Document 4 : Mise en évidence par IRMf d’aires corticales spécialisées dans l’analyse des mouvements ou des couleurs Dès les années 1970 Sémir Zéki a ainsi proposé le concept de spécialisation fonctionnelle du cortex visuel, c'est à dire le traitement séparé de la couleur, de la forme, du mouvement, et sans doute, d'autres caractéristiques du monde visible. Il a ainsi défini les zones V1 et V2 qui reçoivent les informations visuelles en provenance du nerf optique, puis une zone V3 spécialisée dans la perception des formes. On dispose d'images anatomiques d'encéphale de sujets obtenues par IRM et d'images fonctionnelles montrant l'activation de leur encéphale lors de la vision d'objets colorés ou en mouvement. - IRMsujet131321anat en BW-linear avec des seuils de visualisation inférieur égal à 0 et supérieur égal à 30 - IRMsujet131321fonctionVisionMouvements avec des seuils de visualisation inférieur égal à 70 et supérieur égal à 100 Sujet visionnant une image animée (spirale en mouvement) et une image statique - IRMsujet131331fonctionnelVisionCouleurs avec des seuils de visualisation inférieur égal à 75 et supérieur égal à 100 Sujet visionnant des objets colorés et des objets non colorés Répartition des aires corticales visuelles (Aires V) 4 Thème 1 1ère ES et L Représentation visuelle Document 4 : Mise en évidence de la coopération d’aires corticales lors de la reconnaissance visuelle des mots lors d’une activité de lecture L’existence d’une aire spécialisée dans l'identification visuelle des mots (L-VWFA Left Visual Word Form Area) peut être mise en évidence en utilisant les fonctionnalités du logiciel EduAnatomist pour visualiser, sur les images de la banque Neuropeda, les zones de l'encéphale activées lors de la lecture. - IRMsujet13251anat.img - IRMsujet13251fonc_vwfa.img (Inf 52 Max 100) - IRMsujet13251fonc_Rvwfa.img http://www.biologieenflash.net/animation.php?ref=bio-0039-3 Les aires corticales spécialisées dans la vision et le langage Document 5 : Mise en évidence de la plasticité cérébrale lors de la reconnaissance visuelle des mots lors d’une activité de lecture « Le sujet 132121 a développé, à l’âge de 5 ans et 6 mois, après un développement normal du langage, une épilepsie dont le foyer a été localisé dans l’hémisphère gauche. De 7 ans à 9 ans, les capacités cognitives (désordres comportementaux notamment) du sujet se sont détériorées en raisons de crises d’épilepsies pluri quotidiennes. L’hémispherotomie gauche a été réalisée alors que le sujet était âgé de 9 ans. Après l’opération le sujet perdu complètement ses capacités à lire et à compter (aphasie et alexie). Six mois plus tard, c’est à dire 1,5 ans après l’opération, une nouvelle série de test neuropsychologiques a été réalisée. Malgré un score de QI verbal relativement bas, le sujet était à nouveau capable de construire des phrases courtes de nommer des images, de lire certains mots et de réaliser des opérations simples. » IRMsujet 132121 IRMsujet 132121FonctionLangagePlasticitéGénérationMots (Inf 70 Sup 100) IRMsujet 132121FonctionLangagePlasticitéGénérationPhrases (Inf 70 Sup 100) 5
