THEME 3C LA VISION

THEME 3C : la vision : de la lumière au massage nerveux.
CHAPITRE N°1 : L’ORGANISATION DE L’ŒIL ET LE CRISTALLIN
ORGANISATION ANATOMIQUE DE L’ŒIL TP n°1
I-
Voici quelques légendes
Bilans:
- l'oeil est l'organe de la vue, il est composé de plusieurs structures emboîtées les unes dans
les autres dont les plus internes sont transparentes
3 membranes :
- la sclérotique, enveloppe résistante qui borde l'oeil. Elle s'amincit et devient transparente
en avant de l'oeil. Elle forme la cornée.
- la choroïde est une couche pigmentée qui fonctionne comme une chambre noire (cf
physique-chimie). En avant, elle donne l'iris (qui détermine la couleur des yeux". L'espace
libre entre les bords de l'iris s'appelle la pupille. Son diamètre varie en fonction de
l'éclairement (rétracté/dilaté).
-la rétine est la couche de cellules la plus interne sur laquelle se forme les images. Nous
l'étudierons plus en profondeur dans le TP n°2.
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3 systèmes transparents :
- le cristallin, au centre de l'iris (légèrement en arrière), fonctionne comme une lentille
biconvexe permettant de focaliser une image vers la rétine
Le cristallin est souple et est équipé de muscles
ciliaires, ce qui permet l’accommodation : c’est une
adaptation de la vergence qui permet notamment la
vision de près.
3-
- On distingue aussi deux milieux: l'humeur aqueuse en avant de l'oeil, et l'humeur vitrée en
arrière du cristallin.
2. Formation des images au niveau de la rétine
Voir doc. du livre et cours de physique
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3. Un milieu transparent, le cristallin
Le cristallin est un organe vivant non vascularisé. Il est constitué de cellules qui se divisent et ont une
activité métabolique. Ces cellules responsables de la transparence du cristallin ont des caractéristiques
très particulières :
 Les cellules se forment par mitoses en périphérie du cristallin puis sont poussées par les jeunes
cellules vers le centre du cristallin. Les cellules se multiplient pendant la vie embryonnaire, très
peu sont formées après 20 ans. Elles ne sont jamais remplacées : la structure du cristallin n’est
donc jamais renouvelée.
 Au cours de l’évolution, les cellules perdent leur noyau et les organites. Le cytoplasme se
présente alors sous forme d’un gel de protéines (les cristallines) formant un réseau cristallin
transparent. Les cellules du cristallin reçoivent les éléments nécessaires à leur métabolisme
(eau, glucose, ions) des humeurs vitrée et aqueuse. Elles possèdent dans leur membrane des
aquaporines (protéine canaux) et des connexons (protéines qui connectent les différentes
cellules entre elles). A maturité, les cellules du cristallin forment des lames transparentes de
1cm de long pour 10 µm de largeur et 4.5µm d’épaisseur.
Les anomalies du cristallin :
La cataracte se manifeste par une opacification progressive du cristallin. La cause est liée à
une précipitation des protéines du cytoplasme des cellules (les cristallines) et un manque
d’adhérence entre les cellules du cristallin (absence de connexons). De l’eau remplit les
espaces intercellulaires.
La cataracte nécessite une opération, avec mise en place d’un implant artificiel. Elle reste la
première cause de cécité dans le monde (18 millions de personnes selon l’OMS)
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Conclusion : Le cristallin est l’un des systèmes transparents de l’œil humain. Il est formé de cellules
vivantes sans noyau et sans organites, composées de protéines cytoplasmiques à l’origine de la
transparence de ce système. Des anomalies liées au vieillissement du cristallin expliquent certains défauts
de vision comme la presbytie et la cataracte.
CHAPITRE N°2 : LA RETINE ET SES PHOTORECEPTEURS, L’HISTOIRE D’UNE
EVOLUTION
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I- Organisation et fonctionnement de la rétine
La rétine est organisée autour de plusieurs types cellulaires:
1. les
cellules
photo
réceptrices (cônes et
bâtonnets)
qui
captent la lumière.
Etrangement,
cette
couche est la plus
profonde de la rétine.
La lumière doit donc
traverser tous les
autres
types
cellulaires avant de
l'atteindre.
2. Les neurones
bipolaires qui
recueillent les
informations de
plusieurs cellules
photoréceptrices et
les transmettent aux
neurones
ganglionnaires dont
les axones se rejoignent pour former le nerf optique.
Les photorécepteurs, possédant un pigment
dans leur segment externe, constituent les
récepteurs sensoriels de la vision.
Leur stimulation par la lumière entraîne la
production d’un message nerveux, de nature
électrique, interprétable par le cerveau
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3- Deux types de photorécepteurs complémentaires
Il existe deux types de photorécepteurs, les bâtonnets et les cônes :
Les bâtonnets, plus nombreux en
périphérie de la rétine, permettent
une vision dans des conditions
d'éclairement très faible mais sans
perception des couleurs et avec une
acuité médiocre.
►
Les cônes sont plus abondants
dans la partie centrale de la
rétine (notamment la fovéa qui ne
comprend que des cônes). Leur
fonctionnement exige une
luminosité importante. Ces
photorécepteurs permettent la
vision des couleurs, avec une
grande acuité.
►
Ces deux types de photorécepteurs sont complémentaires et assurent une vision même pour
de faible éclairement.
4- Des zones particulières de la rétine.
La zone de la rétine où se concentre les cônes se nomme la fovéa (ou tache jaune).
Cette zone de la
rétine se caractérise
donc par:
- la densité élevée
des cônes
- le déplacement des
neurones bipolaire et
ganglionnaire
en
périphérie
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- le câblage neuronal: un cône est relié à un neurone bipolaire lui même relié à un neurone
ganglionnaire
Ces caractéristiques expliquent que la fovéa soit le point de la rétine présentant l'acuité
visuelle maximale.
Enfin, l'expérience de Mariotte met en évidence l'existence d'un point aveugle:
Ce point aveugle correspond à une zone périphérique du champ de vision et son analyse plus
poussée révèle qu'il s'agit du point de sortie du nerf optique; c'est à dire du rassemblement
de l'ensemble des axones des neurones ganglionnaires.
II-
Les pigments rétiniens (opsines) et la vision des couleurs
1) Des cellules spécialisées :
La vision des couleurs chez l’Homme met en jeu trois types de cônes, contenant chacun un pigment
protéique spécifique, nommé l’opsine S, M, ou L pour Long, Middle et Short Wavelength Sensitive).
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Chaque opsine présente un maximum d’absorption de la lumière, respectivement situé dans le bleu,
le vert, le rouge.
C’est l’excitation relative des
différents types de cônes
qui
permet de restituer les millions de
nuances colorées auquel l’œil est
sensible.
La vision dans l’espèce humaine est
trichromatique :
chaque
couleur
perçue est le résultat d’un mélange
en proportion variable des trois
couleurs primaires captées par ces
trois types de cônes.
La rhodopsine (pigment des bâtonnets) et les opsines ( pigment des cônes) sont des protéines
codées par des gènes. Plusieurs mutations peuvent rendre l’un de ces gènes défectueux.
Le daltonisme est une anomalie génétique due à une mutation de l'un des gènes codant pour les
opsines des cônes.
2) La transmission de l’info au cerveau
La réception du signal lumineux est assurée par les pigments visuels
Le récepteur des photons est constitué par l’association d’une protéine, l’opsine, et d’un
chromophore, le 11-cis retinal.
Chez l’homme, il existe quatre pigments différents définis par quatre protéines
différentes associées au même chromophore. Ainsi, c’est la protéine qui détermine les
caractéristiques physiques de la lumière perçue.
- La rhodopsine est spécifiquement portée par les bâtonnets
- Les cônes possèdent des pigments sensibles à des longueurs d’onde différentes et
permettent ainsi la vision des couleurs. Chaque cône n’exprime qu’un seul des trois
pigments. On connaît un pigment sensible au bleu, au rouge et au vert.
Quand un photon arrive au niveau des photorécepteurs, il interagit avec le pigment,
entraînant un changement de conformation du 11-cis rétinal transformé en touttrans rétinal. Ce dernier ne peut plus dans cette conformation être lié à la protéine.
Il s’ensuit une série de transformations chimiques conduisant à une activation de la
protéine et à sa séparation du tout-trans rétinal. L’opsine activée entraîne une
activation d’une autre protéine, la transducine, apparentée à la famille des
protéines G. La transducine à son tour active une phosphodiestérase qui entraîne
une chute du taux intra-cellulaire de GMP cyclique( guanosine monophosphate
cyclique).
Le GMP cyclique assure l’ouverture de canaux sodiques membranaires ; ainsi, la
chute de son taux cellulaire conduit à la fermeture de ces canaux et par suite à une
hyperpolarisation cellulaire. Le résultat de cette hyperpolarisation est une
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diminution de la transmission synaptique avec les cellules bipolaires. Le photon
entraîne donc une inhibition de la transmission synaptique, c’est-à-dire un message
négatif. La transduction du signal fait intervenir de nombreux messagers successifs
permettant l’amplification du signal. En effet, la réception d’un seul photon conduit
à la fermeture de plusieurs centaines de canaux sodiques.
III-
LES PHOTORECEPTEURS, PRODUITS DE L’EVOLUTION
Les pigments rétiniens des cônes (de nature protéique) sont codés par des gènes. Les différents
gènes d’opsine (= gènes codant les opsines S, M, L) de l’espèce humaine présentent de grandes
similitudes. Ces gènes résultent de l’évolution d’un gène ancestral ayant subi une duplication et dont
les copies ont divergé par mutations successives. Certaines copies ont pu subir un déplacement sur un
autre chromosome, ou transposition. L’ensemble de ces gènes issus du même gène ancestral forme
une famille multigénique.
La ressemblance entre les séquences d’un même gène ou de la protéine correspondante chez
différentes espèces reflète le degré de parenté entre ces espèces.
L'étude des pigments rétiniens confirme l'appartenance de l'Homme au groupe des primates : il
existe une très forte similitude entre les séquences protéiques (opsine bleue) de l’Homme et des
autres primates.
Plus précisément, l’Homme appartient au groupe des primates de l’Ancien monde. En effet,
d’une part les primates de l’Ancien monde sont trichromates (possession de 3 gènes codant
les opsines S, M et L) tandis que ceux du Nouveau monde sont dichromates (possession de 2
gènes codant les opsines S et M /L). Une duplication des gènes d’opsine est à l’origine de la
trichromatie des primates de l’Ancien monde. D’autre part, la séquence protéique de l’opsine
S de l’Homme présente davantage de ressemblances avec les séquences de cette même
molécule chez les primates de l’Ancien monde qu’avec celles du Nouveau monde.
Arbre de parenté obtenu à l’aide des opsines (bleue)
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Reste à voir comment l'information visuelle, crée électriquement au niveau des cellules
photoréceptrices et propagée le long des neurones bipolaires et ganglionnaires, accède au
cerveau et comment elle y est reconnue.
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Chapitre 3 : Cerveau et vision, aires cérébrales et plasticité
1) les voies visuelles
- les informations visuelles nerveuses transitent
entre le nerf optique (point de sortie de la rétine)
et le cerveau.
Une partie des fibres nerveuses croisent au
niveau du CHIASMA OPTIQUE avant de relier le
CORPS GENOUILLE LATERAL. De ce point, les
fibres nerveuses rejoignent le CORTEX VISUEL
PRIMAIRE.
Les expériences de lésion des fibres en
différents points du cerveau montrent que les
informations visuelles correspondantes au champ
visuel gauche, sont recueillies par la partie droite
de la rétine des deux yeux et ce qui se trouve dans
le champ visuel droit est perçu par la partie gauche de la rétine de deux yeux.
- Les informations visuelles des parties gauches des deux rétines transmettent leurs
informations à la partie gauche du cerveau. Donc, les informations visuelles des parties
droites des deux rétines transmettent leurs informations à la partie droite du cerveau.
Cl : le croisement partiel des fibres des deux nerfs optiques a une conséquence importante :
la moitié (gauche ou droite) du champ visuel est perçue par l’hémisphère cérébral du coté
opposé.
2) le cortex visuel primaire et aires corticales visuelles
L’imagerie fonctionnelle du cerveau permet de montrer que plusieurs aires corticales
participent à la vision :
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- Le cortex visuel primaire, situé dans la partie arrière du cerveau, correspond aux points
d'entrée des messages nerveux issus des photorécepteurs rétiniens. Le message est ensuite
propagé dans l’ensemble du cortex visuel.
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- Des aires corticales visuelles spécialisées interviennent dans la
reconnaissance des formes (aire V3), des couleurs (aire V4), du
mouvement (aire V5).
Une collaboration étroite entre les aires :
La reconnaissance
des
formes
nécessite
une
collaboration
entre les aires
visuelles
et
structures
cérébrales
impliquées dans la
mémoire.
Une
perception
visuelle
unique
résulte donc d’une
intégration
de
l’ensemble
des
messages
ainsi
traités par les
différentes aires
corticales.
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3) L’intervention de la mémoire.
Lire ou reconnaitre un visage nécessite la perception visuelle du mot ou du
visage mais aussi une reconnaissance qui met en jeu notre mémoire.
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Cependant il n’existe pas d’aire de la mémoire dans le cerveau, c’est seulement la réactivation de
plusieurs assemblées de neurones qui permet d’associer la perception à un nom ou un objet déjà connu.
Accès à la
prononciation
Entrées
visuelle
s
Accès au
sens
Forme visuelle des
mots
est ainsi facile de duper le cerveau, ce sont les illusions d’optiques que l’on
devrait plutôt appeler les illusions cérébrales. Voir diaporama.
- Illusions géométriques : le cerveau sur ou sous estime les dimensions ou les
directions
- Image à double sens : chacun va privilégier une interprétation au point d’en
masquer une autre.etc...
La mise en place du phénotype cérébral impliqué dans la vision repose sur des
structures innées, présentes et fonctionnelles dès la naissance. Elles sont le
résultat de l'expression de l'information génétique et sont issues de
l'évolution.
Il
MAIS ….
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Travail sur la plasticité du cerveau :
La maturation du cortex cérébral s'effectue cependant également sous l'effet
de l'expérience individuelle. En effet, une caractéristique du fonctionnement
cérébral est sa capacité à se remanier au cours de la vie ; c'est ce qu'on appelle
la plasticité cérébrale.
L’apprentissage et la mémorisation reposent également sur la plasticité du
cerveau.
L’apprentissage implique une sollicitation répétée de circuits de neurones, ce
qui modifie les connexions entre ces neurones ( donc éviter le bachotage et
préférer l’apprentissage régulier !!!!)
4) L’intervention des substances chimiques
Entre la rétine et le cortex visuel, et au sein des différentes
aires corticales, le message nerveux est transmis par des
neurones interconnectés. On appelle synapse la zone de
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connexion
entre
deux
neurones.
Le message nerveux qui circule le long d'un neurone est de nature électrique, mais entre deux
neurones, au niveau d'une synapse, le message nerveux est transmis par l'intermédiaire d'une
substance chimique appelée neurotransmetteur.
La transmission synaptique nécessite que les molécules de neurotransmetteurs se fixent sur
des récepteurs spécifiques.
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Certaines substances chimiques (comme le LSD), en interférant avec la transmission
synaptique du message nerveux (par exemple en se fixant sur les récepteurs à la place
des neurotransmetteurs) perturbent le fonctionnement des aires cérébrales associées
à la vision et provoquent des hallucinations qui peuvent dériver vers des perturbations
cérébrales graves et définitives.
D’autres substances altèrent la perception sensorielle : l’alcool rétrécit le champ visuel et
modifie d’appréciation des distances. La consommation du cannabis se traduit par une
perception exacerbée des sons et perturbe la vision. Quelques exemples en dessous :
Les substances hallucinogènes perturbent la vision
L'ergot du seigle (flèche)
L'ergotisme (lien externe) est une très grave intoxication due
l'ergot du seigle (lien externe) qui est un champignon parasite des céréales
contenant de l'ergotamine. Celle-ci provoque notamment des convulsions et
des hallucinations car elle perturbe la transmission synaptique au niveau
cérébral.
Image : fr.academic.ru
Champignons hallucinogènes
La psilocybine est contenue dans des champignons hallucinogènes. Son mode
d'action est voisin de celui du LSD. Parmi ses divers effets elle induit des
distorsions visuelles ou auditives, provoque des visions extraordinairement
colorées, en mouvements kaléidoscopiques où l'usager se perd dans un
monde imaginaire.
Image : source non communiquée
Comprimés d'ecstasy
L'ecstasy est une drogue de synthèse qui en a, entre autres, des effets
hallucinogènes. Par ailleurs l’individu peut ressentir un regain d’énergie, une
euphorie et la suppression de certains blocages ou interdits dans les
relations avec les autres.
Image : www.interieur.gouv.fr
Alcool et le champ visuel
Même en dessous du seuil toléré, l'alcool perturbe la vision par une mauvaise
appréciation des distances et une diminution de l'étendue du champ de
vision. Le cannabis a, entre autres, des effets comparables.
Image : Sciences 1e ES/L, Bordas 2011, p. 73
Les drogues agissent au niveau synaptique
Une drogue peut se substituer à un neurotransmetteur
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Comparaison des molécules de sérotonine et de LSD
La sérotonine est l'un des nombreux neurotransmetteurs. Elle intervient
dans diverses fonctions cérébrales (perception sensorielle, humeur,
émotivité, sommeil...). La partie de la molécule qui se fixe sur le récepteur a
une coformation semblable à celle d'une partie de la molécule de LSD. Les
deux molécules peuvent donc se fixer sur le même récepteur. La psilocybine
des champignons hallucinogènes a un mode d'action voisin. Le cannabis et les
opioïdes (morphine, héroïne...) agissent de manière comparable mais avec
d'autres neurotransmetteurs.
Image obtenue avec le logiciel RasTop
Activation des récepteurs à la sérotonine (IRMf)
Les tons froids correspondent à une activité faible, les tons chauds à une
activité forte.
Les récepteurs spécifiques de la sérotonine sont largement répartis dans le
cerveau (à gauche). Leur activité est augmentée par la consommation de
LSD (à droite). On retrouve notamment le LSD dans les corps genouillés
latéraux, principale zone de relais entre la rétine et le cortex visuel. Les
molécules de LSD se fixent sur les récepteurs de la sérotonine, cela
déclenche des messages nerveux visuels sans qu'aucune stimulation n'ait eu
lieu.
Image (modifiée) : SVT 1e S, belin 2011 p. 312)
2. Une drogue peut empêcher la recapture d'un neurotransmetteur
Mode d'action synaptique de l'ecstasy
L'ecstasy n'agit pas en mimant les effets de la sérotonine, mais il favorise,
sa libération et empêche sa recapture par le neurone présynaptique. Il en
résulte que le neurotransmetteur s'accumule dans la fente synaptique et
agit davantage sur le neurone post synaptique. Les amphétamines et la
cocaïne agissent de manière comparable avec d'autres neurotransmetteurs.
Source : lecerveau.mcgill.ca
D'une manière générale toutes les substances psychotropes agissent au niveau synaptique en
provoquant soit l'accumulation, soit l'élimination d'un neurotransmetteur, soit encore en mimant son
action ou en l'inhibant.
La consommation de drogue entraîne des troubles du fonctionnement général de l'organisme
Effet de l'ecstasy sur la densité des récepteurs de la sérotonine
Des babouins reçoivent deux doses par jour d'ecstasy à 5 mg/kg pendant 4
jours. 14 mois plus tard on évalue la densité des récepteurs à la sérotonine
dans le cerveau.
L'ecstasy provoque une diminution durable du renouvellement des
récepteurs de la sérotonine sur les membranes des neurones post
synaptiques. L'effet de la drogue diminue donc au fur et à mesure des
prises. Pour obtenir le même effet le consommateur doit alors augmenter
les doses de drogue. Il y a alors tolérance ou accoutumance à la drogue. Les
autres drogues agissent de manière comparable.
Image (modifiée) : Sciences 1e ES/L, Nathan 2011, p.80
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Effet de l'ecstasy sur la production de sérotonine
Des rats reçoivent entre 0 (témoin) et 20 mg/kg d'ecstasy en deux doses
par jour pendant 4 jours. On évalue la quantité de sérotonine dans le
cerveau quelques heures après la dernière prise.
L'ecstasy provoque une diminution très rapide de la production naturelle de
sérotonine par le neurone présynaptique. Il en résulte un état de manque
pouvant conduire à une dépendance physique et/ou psychologique vis à vis
de la substance. Les autres drogues agissent de manière comparable.
Image : Sciences 1e ES/L, Nathan 2011, p.80
Le bad-trip ou " mauvais voyage "
Outre des hallucinations visuelles (visions de cauchemar) et/ou auditives violentes le bad-trip se
caractérise par des vomissements, des tremblements, des sueurs, une augmentation soudaine du
rythme cardiaque, une pâleur, une forte montée d'angoisse, des crises de phobie ou de panique etc.
Dans la panique générée par son état, l'individu peut devenir violent envers lui-même ou envers les
autres.
Le flash-back ou " syndrome post-hallucinatoire persistant "
Dans certains cas les drogues hallucinogènes se révèlent suffisamment traumatisantes pour que
l'effet de bad-trip persiste plusieurs mois après l'effet de la prise de drogue. L'état dépressif qui
en résulte peut conduire au suicide.
Drogues et accidents de la route
Alcool, cannabis et autres drogues modifient non seulement la perception
visuelle mais agissent sur l'ensemble du système nerveux (mauvaise
concentration, temps de réaction long...), rendant la conduite très
dangereuse.
Les effets du cannabis complétant ceux de l'alcool, l'association des deux
drogues est particulièrement meurtrière car elle multiplie par 15 le risque
d'accident mortel.
Image : www.securite-routiere.go
Pour en savoir plus
Sitographie
Drogues & dépendances (site institutionnel)
Drogues info service
Le cerveau à tous les niveaux