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Thème 61. . DDee l’œil
l’œil au
au cerveau cerveau :: quelques
quelques aspects
aspects
de la vision
Chapitre 1 De la lumière au message nerveux :
Unité
le rôle de l’œil
1
Le trajet de la lumière dans l’œil [pp. 292-293 du manuel de l’élève]
Connaissances du programme
• 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.
Capacités et attitudes mises en œuvre dans l’unité
• 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).
Conseils et suggestions
Exploitation des documents par les activités
– 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 : http://lecerveau.
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
SVT 1re S © Éditions Belin 2011
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
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
Unité
En conclusion (Communiquer en rédigeant une synthèse).
La lumière émise par un objet traverse les milieux transparents de
2
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.
La rétine et le rôle des photorécepteurs
Connaissances du programme
« 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.
[…]
[pp. 294-295 du manuel de l’élève]
Capacités et attitudes mises en œuvre dans l’unité
• 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).
Le message nerveux issu de l’œil est acheminé au cerveau par le nerf
optique. »
Conseils et suggestions
– 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).
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
(Réaliser une observation microscopique, extraire des informations
à partir d’observations et de documents, organiser ces informations, communiquer par écrit)
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. 1 La rétine, fine « membrane » qui tapisse le fond de l’œil, est
une structure complexe constituée de plusieurs types de cellules
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
Exploitation des documents par les activités
20 Thème 6 – Chapitre 1
SVT 1re S © Éditions Belin 2011
(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.
Unité
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
3
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.
Les pigments rétiniens et la vision des couleurs [pp. 296-297 du manuel de l’élève]
Connaissances du programme
Capacités et attitudes mises en œuvre dans l’unité
« 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).
Conseils et suggestions
– 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 www.daltoniens.fr ou celui du Syndicat des
Ophtalmologistes de France www.snof.org/vue/couleurs1.html,
par exemple.
– Le logiciel en ligne de traitement d’images Vischeck (en anglais)
simule la vision correspondant aux différents types de daltonisme
(www.vischeck.com). Il permet d’obtenir des images telles que
celle présentée dans le doc. 1.
SVT 1re S © Éditions Belin 2011
– 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.
Exploitation des documents par les activités
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
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
Unité
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.
4
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.
La vision des couleurs chez les primates
Connaissances du programme
« Les gènes des pigments rétiniens constituent une famille multigénique
(issue de duplications) dont l’étude permet de placer l’Homme parmi
les primates. »
[pp. 298-299 du manuel de l’élève]
Capacités et attitudes mises en œuvre dans l’unité
• 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) ;
Conseils et suggestions
– 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. 77-88), les arguments moléculaires sont abordés ici pour la première fois dans le
cursus.
22 Thème 6 – Chapitre 1
– 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).
SVT 1re S © Éditions Belin 2011
– 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) : www.ncbi.nlm.nih.gov/protein.
L’alignement des séquences peptidiques et leur comparaison peuvent être effectués en ligne avec le logiciel ClustalW2 (en anglais) :
www.ebi.ac.uk/Tools/msa/clustalw2. Ces deux sources proposent
également de travailler sur des séquences nucléotidiques.
➌ Doc. 3 et 4 (Extraire des informations). Les séquences nucléo-
Exploitation des documents par les activités
➍
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. 34-41) fait le point sur ce sujet.
SVT 1re S © Éditions Belin 2011
tidiques 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.
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
Chapitre 2 Cerveau et vision : aires visuelles
Unité
et plasticité cérébrale
1
Les troubles cérébraux de la perception visuelle
Connaissances du programme
« Plusieurs aires corticales participent à la vision. »
[pp. 308-309 du manuel de l’élève]
Capacités et attitudes mises en œuvre dans l’unité
• 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).
Conseils et suggestions
Exploitation des documents par les activités
– 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 :
www.brainvoyager.com/products/braintutor.html.
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. 323. D’autres cas cliniques peuvent être utilisés, détaillés sur le
site de l’INRP :
http://acces.inrp.fr/acces/ressources/neurosciences/vision/cas_
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
SVT 1re S © Éditions Belin 2011
Unité
2
L’étude du cerveau en fonctionnement Connaissances du programme
« 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. »
Conseils et suggestions
– 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 :
http://acces.inrp.fr/acces/ressources/neurosciences/Banque
donnees_logicielneuroimagerie. Les données relatives aux sujets
13 132 (vision des couleurs, doc. 2) et 13 133 (vision des mouvements, doc. 3) ont été utilisées avec une amplitude de contraste
75-100.
– 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. 308.
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.
SVT 1re S © Éditions Belin 2011
[pp. 310-311 du manuel de l’élève]
Capacités et attitudes mises en œuvre dans l’unité
• 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).
Exploitation des documents par les activités
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
Unité
3
L’effet des drogues sur la perception visuelle Connaissances du programme
« 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. »
Conseils et suggestions
– 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 ».
Exploitation des documents par les activités
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
26 Thème 6 – Chapitre 2
[pp. 312-313 du manuel de l’élève]
Capacités et attitudes mises en œuvre dans l’unité
• Interpréter des observations médicales et/ou des imageries cérébrales
chez l’Homme (doc. 1 à 7).
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.
SVT 1re S © Éditions Belin 2011
Unité
4
Le développement du cortex visuel [pp. 314-315 du manuel de l’élève]
Connaissances du programme
Capacités et attitudes mises en œuvre dans l’unité
« 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).
Conseils et suggestions
– 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.
Exploitation des documents par les activités
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
SVT 1re S © Éditions Belin 2011
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
Unité
5
La plasticité du cerveau et l’apprentissage [pp. 316-317 du manuel de l’élève]
Connaissances du programme
Capacités et attitudes mises en œuvre dans l’unité
« 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).
Conseils et suggestions
– 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 : www.mnhn.fr/expo/cerveaux/cerveau/aplysie.htm
Exploitation des documents par les activités
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
28 Thème 6 – Chapitre 2
• Interpréter des observations médicales et/ou des imageries cérébrales
chez l’Homme (doc. 1)
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.
SVT 1re S © Éditions Belin 2011
1
Exercices 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
[pp. 305-306 du manuel]
atteinte du champ visuel
Formuler et éprouver une hypothèse
Réponses attendues :
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
Réponses attendues :
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
SVT 1re S © Éditions Belin 2011
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
Réponses attendues :
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 103 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
Réponses attendues :
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
Chapitre 2
⑤ Un
[pp. 323-324 du manuel]
cas d’agnosie visuelle
Pratiquer une démarche scientifique.
Réponses attendues :
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.
Réponses attendues :
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.
Réponses attendues :
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.
30 Thème 6 – exercices
⑧ Une
protéine impliquée dans la plasticité
du cortex
Pratiquer une démarche scientifique.
Réponses attendues :
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.
SVT 1re S © Éditions Belin 2011
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
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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
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