Vision 4OS 2011
Introduction
La vision permet non seulement de nous orienter dans l'espace mais aussi de repérer nos proies, prédateurs et partenaires. Ainsi, elle nous est indispensable dans la vie et à la survie de l'espèce. La vision est donc un système complexe. Il s'agira surtout de discuter de la vision humaine avec un rapide détour sur la différence entre l’œil animal et humain. La vision permet de traduire la lumière visible grâce à la sensibilité de son organe récepteur, l’œil, et de la convertir en influx nerveux qui pourra ensuite être intégré par le cerveau. Seul, l'œil n'est pas suffisant pour former une image claire et notre perception du monde extérieur. Le cerveau contribue également dans la traduction des informations en une représentation claire et nette du monde qui nous entoure.
Quel est la nature du signal reçu par l’œil ?
Le stimulus reçu par l’œil est la lumière qui est une onde électromagnétique mais aussi un ensemble de corpuscule, les photons(particules de lumière émises). La lumière est une onde dites visible, car sa longueur d'onde (distance entre deux sommets d'une onde à un moment donné) est entre 380nm et 740nm. Les différentes longueur d'onde correspondent à différentes couleurs. L'ensemble des longueurs d'ondes s'appelle un spectre du visible. (voir Annexe 1, spectre de lumière visible) Une onde électromagnétique est une composition de deux perturbations oscillant dans deux plans perpendiculaires en même temps. L'une des perturbations est électrique, et l'autre magnétique. Les deux perturbations se déplacent à la vitesse de la lumière et cette onde peut se propager même dans le vide, contrairement aux autres ondes qui ont besoin de matière pour se propager.(voir Annexe 2, onde électromagnétique)
Quelles sont les différentes structures de l’œil?
L’œil est un organe spécialisé dans la détection et l'analyse de la lumière. En regardant une coupe transversale de l’œil (voir Annexe 3, Coupe transversale de l’œil), on peut voir le parcours de la lumière jusqu'à la rétine. La paroi du globe oculaire est composée de trois tuniques:
- la tunique fibreuse ou externe: c'est la première structure que la lumière rencontre. Elle est formée en avant de la cornée transparente, de la conjonctive et de la sclérotique opaque en arrière.
- la tunique uvéale ou moyenne qui se compose de l'iris en avant, la pupille, le corps ciliaire, le cristallin et le choroïde en arrière.
- la tunique nerveuse ou interne se compose de la rétine, la fovéa, la tâche aveugle et la macula.
Quels sont les fonctions de ces différentes structures?
• La cornée: Elle forme la surface externe légèrement bombée au centre de l’œil. La cornée, n’ayant pas de vaisseaux sanguin, est métaboliquement dépendante du milieux qui se situe dernière appelé l'humeur aqueuse.
• La conjonctive: c'est la première structure rencontré par la lumière lorsqu'elle arrive dans l’œil. C'est une fine membrane muqueuse transparente tapissant la face postérieur des paupières.Elle produit le mucus qui lubrifie la surface de l’œil.
• La sclérotique: elle est en continuité avec la cornée. C'est une couche de protection avec sa paroi dure et c'est aussi le blanc de l’œil dans laquelle est inséré trois paire de muscles qui permettent les mouvement du globe oculaire dans les orbites du crâne.
• L'iris: c'est un muscle circulaire qui est pigmenté ce qui donne la couleur à l'œil. Il régule l'entrée de la lumière.
• La pupille: c'est un trou au centre de l'iris permettant de faire passer les rayons lumineux vers la rétine. Son diamètre s'adapte au différente intensité de lumière par un réflexe.
• Le corps ciliaire: c'est là où l'humeur aqueuse est secrétée. L'humeur aqueuse est un liquide transparent à faible viscosité, elle permet de nourrir la cornée et maintenir la forme de l’œil et la pression intra-oculaire. Elle est continuellement filtré et renouvelé toute les 2-3heures. Le corps ciliaire est aussi formé d'un réseau de muscles qui permet de modifier la courbure du cristallin pour que la vision soit nette.
• Le cristallin: C'est une structure très importante car elle permet à l’œil de s’accommoder à des distances de vison différentes. C'est une lentille biconvexe situé à l'arrière de l'iris, qui converge la lumière sur la rétine. La courbure du cristallin peut être modifié par les muscles ciliaires pour permettre l’accommodation des rayons. Lorsque nous regardons un objet proche le cristallin s’arrondit davantage pour rétablir la netteté de l'image. À l'arrière du cristallin on a l'humeur vitrée qui est un fluide un peu plus visqueux que l'humeur aqueuse, dont la pression sert à garder le globe oculaire sphérique. (voir Annexe 4, Accommodation du cristallin)
• Le choroïde : c'est une couche très vascularisée en sang qui se trouve à l'arrière du globe oculaire. Elle a donc pour rôle de nutrition de la rétine(photorécepteurs). Elle absorbe aussi les rayons lumineux inutiles pour la vision grâce au pigment de la mélanine.
• La rétine:C'est une fine pellicule de tissus nerveux situé au fond de l’œil. Elle possède une dizaine de couches de cellules dont les trois plus importantes sont : (Voir Annexe 5, la rétine)
- la couche des ganglionnaires. La rétine a un rôle très important car elle fait partie du système nerveux central.
- la couche granuleuse externe et interne (cellules bipolaires)
- la couche des cellules photosensibles(photorécepteurs)
• La fovéa: c'est la zone centrale de la macula. C'est la zone de la rétine où il y a le plus de cônes et où la vision est optimale (claire et nette).
• La tâche aveugle: c'est une zone situé dans la rétine où il y a le nerf optique(fibres nerveuses qui conduisent l'information visuelle au cerveau) qui passe et donc elle est dépourvue de photorécepteurs.
• La macula: c'est une petite zone vers le centre de la rétine. Cet endroit est sensible aux couleurs et c'est là que l'acuité visuelle(=précision de la vision) est maximale.
Qu'est ce que le phénomène de réfraction ?
(voir Annexe 6, image inversé sur la rétine)
Lorsque la lumière passe dans un milieu ou sa vitesse est réduite, elle est déviée selon une ligne perpendiculaire à la surface de la zone de partage des deux milieux. Ce phénomène physique est observé lorsque la lumière traverse la cornée et passe de l'air a l'humeur aqueuse. Les rayons passant la surface courbé de la corné converge à l'arrière de l’œil. Notons que si nous voyons floue dans l'eau c'est à cause de la puissance de réfraction de la cornée qui devient inexistante car la vitesse de la lumière dans l'eau est presque égale à celle à l'intérieur de notre œil. L’œil réfracte les rayons lumineux en une seule image sur la rétine.
Quel est le rôle de la rétine ?
(voir Annexe *: image inversé sur la rétine)
La rétine est l'organe sensible de la vision. Elle tapisse le fond de l'oeil et c'est le lieu où la traduction du message lumineux, venant de l'extérieur en signaux nerveux envoyés au cerveau, se fait. La partie sensible se compose de photorécepteurs. Au centre de la rétine se trouve la macula, une partie plus sombre qui est pratiquement dépourvue de vaisseaux sanguins afin d'optimiser la vison centrale. Au centre de cette macula ce trouve une petite tâche noir d'environ 2mm de diamètre appelé fovéa. C'est la partie de l’œil où la vision des détails est la plus précise car elle est constitué exclusivement de cônes. La rétine est divisée en deux partie: l'hémirétine temporale et l'hémirétine nasale. L'image arrivant sur la rétine est inversée. Le traitement de l'image ce fait avant tout dans la rétine avant que l'information arrive au cerveau.
Qu'est-ce que les photorécepteurs ?
Les photorécepteurs sont des cellules spécialisées qui servent à convertir les signaux lumineux en des signaux électriques nerveux qui pourront alors stimuler le cerveau . Ce sont eux qui reçoivent l'information lumineuse et qui l'intègre. L'être humain en possède approximativement 130 millions situées dans la partie la plus profonde de la rétine et c'est paradoxale puisque la couche est la plus éloigné à la lumière. On distingue deux types de photorécepteurs : les bâtonnets et les cônes. Ces photorécepteurs sont composés de quatre parties: un segment externe, un segment interne, un corps cellulaire et une terminaison synaptique. (voir Annexe 7, les photorécepteurs)
Dans le segment externe, on trouve des disques empilés l'un sur l'autre qui contiennent les photopigments. Ces photopigments qui sont sensibles à la lumière jouent un rôle essentielle dans la phototransduction. Les deux types de photorécepteurs équivalent à 70 % des récepteurs dans tout notre corps (toucher, goût,...). L’œil et son information visuelle sont donc des éléments vitaux pour les humains dans leur compréhension de l'environnement.
- Les batônnets
La dénomination des photorécepteurs de type "bâtonnet" vient de la forme de leur segment externe. Les bâtonnets sont environ 1000 fois plus sensibles à la lumière que les cônes puisque ceux-ci ont plus de disques (et donc une concentration de photopigments plus grande) dans leur segment externe. Ils sont donc adaptés à réagir à de faibles quantités de lumière, ce qui fait que ces photorécepteurs interviennent dans la vision nocturne même si il faut un temps de transition d'environ 20-25 minutes entre celle-ci et la vision diurne, c'est ce qu'on appelle l'adaptation à l'obscurité. Cependant la vision sera en noir et blanc puisque les bâtonnets ne sont sensibles qu'à l'obscurité et à la lumière. Le nombre de bâtonnets dans la rétine se compte à environ 125 millions, ce qui fait 95% des photorécepteurs.
- Les cônes
La dénomination des photorécepteurs de type "cône" vient de la forme de leur segment externe. Les cônes ont relativement moins de de disques (et donc une concentration de photopigments plus faible) dans leur segment externe que les bâtonnets. Le rôle de ces photorécepteurs intervient donc dans la vision diurne. Ces photorécepteurs permettent la vision en couleur et se divisent en 3 types, chacun réagissant à un pigment(longueur d'onde) différent (voir question de phototransduction). On a approximativement 10 millions de cônes, ce qui correspond aux 5% restant de photorécepteurs. La différence du rapport de nombre entre les bâtonnets et les cônes s'expliquent par la structure de la rétine.
Comment le signal lumineux est traité par les photorécepteurs?
Le signal lumineux reçu par les photorécepteurs va se transformer en signal chimique grâce à la phototransduction.
Qu'est-ce que la phototransduction ?
La phototransduction est la conversion du signal électrique en signal chimique. C'est-à-dire que la lumière reçue par les photorécepteurs va provoquer une variation du potentiel de la membrane de ceux-ci. (voir Annexe 8, Hyperpolarisation des photorécepteurs en réponse à la lumière)
(voir Annexe 9, phototransduction)
Comment se déroule-t-elle?
Pour les bâtonnets:
L'idée générale, est que la lumière va être absorbée, ce qui va provoquer une variation de potentiel dans la membrane. Les photorécepteurs sont ,dans l'obscurité, en permanence dépolarisés car il y a beaucoup de guanosine monophosphate cycliqe(GMPc). La présence de cette enzyme provoque l'ouverture des canaux sodiques.Ce mouvement de charges a comme résultat un courant électrique qu'on peut aussi appelé courant d'obscurité. Le potentiel de de la membrane est plus élevé que le potentiel de repos normal (-65mV) car il y a un apport de Na+ constant. celui-ci est de -30mV. Contrairement au transfert d'information du système nerveux où il y a une dépolarisation de la membrane,(voir Annexe 10, Comparaison entre le transfert de l’information dans le système nerveux et de la phototransduction)lorsque le signal atteint celle-ci, il y a une hyperpolarisation de la membrane lorsque la lumière arrive.En effet, les photorécepteurs sont stimulés par la lumière reçue ce qui est le début d'une cascade de transduction. Le photopigment, qui est dans la membrane des disques empilés dans un segment externe du bâtonnet, active la protéine G qui à sont tour active une enzyme, la phosphodiestérase qui va modifier la GMPc, ce qui va provoquer la fermeture des canaux chimio-dépendants. la membrane va donc s'hyperpolariser car moins de charge positive entre dans la cellule.
Pour les cônes:
Pendant le jour, L'illumination constante des bâtonnets va à un moment provoqué la baisse des GMPc et ce jusqu'à la saturation de la réponse lumineuse. On est arrivé au point où même si il y plus de lumière, l'hyperpolarisation ne se fera pas. C'est pourquoi la vision diurne dépend principalement des cônes qui ont besoin d'un stimulus plus intense pour que les photopigments soient actifs. La phototransduction pour les cônes suit le même principe que celui pour les bâtonnets sauf que le type d'opsines dans les disques est différent. C'est pourquoi on a trois "types" de cônes qui sont distincts par leur sensibilité au différentes longueur d'onde du spectre de la lumière. Les cônes "bleus" dont les photopigments sont activés par une longueur d'onde vers 430 nm, les cônes "verts" sont activés par une longueur d'onde vers 530 nm et les cônes "rouges" qui sont activés par une longueur d'onde vers 560 nm (voir Annexe 11, Les cônes). C'est par la synthèse additive des couleurs que l'on peut voir toutes les autres couleurs.
Comment se déroule le traitement du signal dans le cortex cérébral ?
Lorsqu'il y a potentiels d'actions, ceux-ci se propagent le long des axones des cellules ganglionnaires jusqu'à des structures appelées corps géniculés latéraux du thalamus (voir Annexe 12, La voie des informations visuelles). De là, les potentiels d'action arrivent dans le lobe occipital du cortex cérébral. Selon l'activité de chaque cellule ganglionnaire, le cerveau va faire une cartographie, point par point des objets présents dans l'espace visuel. La luminosité dépend en revanche de la fréquence des impulsions dans chaque cellule ganglionnaire. Enfin, les cellules ganglionnaires sont connectées aux trois types de cônes grâce aux cellules bipolaires. C'est l'activité des cellules ganglionnaires reliées aux cônes qui fournit l'information sur la couleur.
Mais lorsqu'on regarde un point précis, il y a une différence de netteté entre le point qu'on regarde et ce qui entoure ce point : en effet tout ce qu'on voit n'est pas nette de la même manière. Ceci est dû à la relation entre les cônes et les cellules ganglionnaires. En effet, dans la région de la fovéa, là où se trouve la plupart des cônes, ces derniers sont connectés chacun à une cellule bipolaire. Chaque cellule bipolaire est connectée à une cellule ganglionnaire. C'est cette connexion point par point qui assure l'acuité visuelle.
Dans le reste de la rétine (en dehors de la fovéa), de nombreux bâtonnets sont connectés à une seule cellule bipolaire, puis de nombreux cellules bipolaires sont connectées à une seule ganglionnaire. Ainsi, la sommation des activités neuronales permet à la zone rétinienne non-fovéale d'être plus sensible à la lumière. C'est pourquoi, lorsque qu'on veut voir des étoiles lointaines, on dit qu'il ne faut pas les regarder directement mais utiliser sa vision périphérique pour capter la lumière.
Une autre particularité de la vision est que nous avons une vision binoculaire. Nos deux yeux sont séparés par une distance. Ainsi, chaque oeil n'a pas le même angle de vue : par conséquent, chaque oeil ne voit pas la même image d'un objet. Cela permet tout d'abord d'augmenter le champ de vision. Deuxièmement, elle permet de garder la vision même avec la perte de la vision d'un oeil. Ensuite, elle augmente la capacité de voir des objets faiblement lumineux. Enfin, le cerveau supperpose les deux images planes de chaque oeil, ce qui a pour effet de nous faire voir l'objet en trois dimensions. C'est ce qu'on appelle la stéréoscopie.
Qu'est-ce que le chiasma optique ?
(Voir Annexe 13, le champ visuel)
Les nerfs optiques sont formés des axones des cellules ganglionnaires. Il partent des yeux pour rejoindre le cerveau afin de transmettre les informations sensorielles, se croisent à la hauteur du chiasma optique, qui se trouve vers le centre de la base du cortex cérébral. Ils rejoignent ensuite les corps géniculés latéraux.
On appelle chiasma optique la disposition particulière des nerfs optiques qui partent des yeux au cerveau. En effet, les stimulus perçus dans la partie gauche du champ visuel des deux yeux sont transmis au côté droit du cerveau. Les stimulus perçus dans la partie droite du champ visuel des deux yeux sont transmis au côté gauche du cerveau.
Le cortex visuel
(voir Annexe 14, le cortex visuel)
C'est dans le cortex primaire (V1), projection directe de la rétine que le signal est analysé une première fois. Ainsi, la couleur,l’identification des lignes et les mouvements sont traités. Ensuite, les informations traitées sont transmises dans le cortex secondaire (V2) où elles seront séparées en deux voies :
La voie ventrale : appelée également occipito-pariétale, permet de déterminer où se trouve les objets dans l'espace en temps réel.
La voie dorsale : appelée également occipito-temporale, permet de reconnaître la nature des objets, donc une image plus précise des lignes, de la couleur et du mouvement.
Quelles sont les différentes pathologies qui nuisent au bon fonctionnement de la vision ?
Défaut de la vision
Troubles de la mise au point
La myopie : Un individu est myope lorsque les objets deviennent flous avec leur éloignement : en effet, le globe oculaire est trop long, donc les rayons lumineux se croisent devant la rétine.
L'hypermétropie : Un individu est hypermétrope lorsque les objets deviennent flous avec leur rapprochement : en effet le globe oculaire est trop court, donc les rayons lumineux se croisent derrière la rétine.
(Voir Annexe 15, Correction de la myopie et de l'hypermétropie)
Troubles de la courbure de la cornée
Le kératocône : C'est une pathologie dégénérative : l'oeil perd son aspect sphérique prenant la forme d'un cône. Le patient voit des images multiples, des stries ou encore devient hypersensible à la lumière. C'est une pathologie rare.
L'astigmatie : La cornée a une forme ovale au lieu d'être ronde. Les rayons lumineux se focaliseront ainsi sur plusieurs points, en arrière et avant de la rétine ce qui provoque une déformation de l'image.
Troubles liés au vieillissement
La presbytie : Diminution progressive de la vue avec l'âge, perte de la vision de près et l’accommodation.
Maladies de l’œil
Baisse progressive de l'acuité visuelle
La cataracte : C'est une opacification du cristallin, ce qui amène à une photophobie (hypersensible à la lumière) et à une baisse progressive de la vue.
Le glaucome : C'est la perte de vue progressif commençant par la vision périphérique et allant vers la centre du champ visuel. C'est l'augmentation de la pression oculaire qui endommage les fibres du nerf optique et de la rétine. Le glaucome peut survenir également lorsqu'il y a une mauvaise circulation sanguine qui amène la nécrose des cellules du nerf optique. Si la maladie n'est pas traitée, cela peut amener à la cécité.
La dégénérescence maculaire liée à l’âge (DMLA) : Dégénérescence progressif de la macula, partie centrale de la rétine. Elle amène une perte de vue centrale, sans toutefois aller jusqu'à la cécité.
Baisse rapide de la vision
La kératite : C'est une inflammation comme la conjonctivite. Le patient souffre d'une baisse d'acuité visuelle, de rougeurs et de douleurs (également face à la lumière).
Le décollement de la rétine : C'est le décollement partiel ou totale de la rétine. Ce détachement de la rétine provoque la destruction des cellules nerveuses rétiniennes, ce qui peut amener jusqu'à la cécité.
Affections n'altérant pas la vision
La conjonctivite : C'est une inflammation de la conjonctive qui peut être provoquée par une bactérie, une allergie ou encore un virus.
Vision de la couleur altérée
L'achromatopsie : C'est l’absence totale de la vision des couleurs. Elle peut arriver suite à une lésion cérébrale, mais elle peut aussi être congénitale.
Le daltonisme : Un ou plusieurs types de cônes, responsable de la vision de la couleur sont déficients. Ainsi un daltonien ne fera pas la différence entre le rouge ou le vert, ou plus rarement le bleu et le jaune. Cette maladie atteint plus généralement des hommes, car les gènes commandant la vision des couleurs se trouvent sur le chromosome X. L'allèle impliquant le daltonisme étant récessif, il y a moins de femmes daltoniennes, car elles ont deux chromosome X, donc elles peuvent avoir un X avec déficience et autre qui ne l'est pas. En revanche, si l'homme porte l'allèle récessif, il sera daltonien.
En quoi la vision de l'humain est différent des animaux et des insectes ?
La vision des mammifères
La vision des animaux est assez proche de la notre. Ils peuvent percevoir les couleurs. Selon les espèce, les animaux ont des capacité visuelle adaptée à leur environnemt et leur place dans la chaine alimentaire. par exemple, le cheval qui est une proie et donc doit pouvoir repérer de loin ses prédateurs, à les yeux très écarté ce qui leurs permet d'avoir une vue périphérique très performante, approchant les 350 degrés. Le chat quant à lui, voit mieux la nuit que nous. C'est un chasseur nocturne qui est doté d'une grande quantité de bâtonnets. Sa pupille, très contractée le jour, se dilate beaucoup la nuit ce qui permet de laisser passer plus de lumière. Par contre, le chat ne pourrait pas distinguer le rouge car la rétine ne contient que deux formes différentes de cônes qui ne sont pas sensible au rouge.
La vision des insectes
Les insectes ont deux types de capteurs: les ocelles qui leur permet de capter l'intensité de la lumière et les yeux à facettes qui leur permettent de reconstruire l'image aperçue par les facettes. Le cerveau des insectes, grâce à leurs facettes reçoit 200 images par seconde alors que l'humain lui ne reçoit "que 24 images" par seconde.
Sources
http://lecerveau.mcgill.ca/flash/i/i_02/i_02_cr/i_02_cr_vis/i_02_cr_vis.html
http://www.bausch.fr/Ophtalmologie/pages/?page=507
http://www.astrosurf.com/omega-astro/notions/la_lumiere.html
http://lewebpedagogique.com/physique/la-nature-de-la-lumiere/
http://www.visilab.ch/f/dossiers/vision_animaux.html
http://www.vulgaris-medical.com/encyclopedie/voie-dorsale-et-voie-ventrale-ou-et-quoi-9040.html
http://fr.wikipedia.org/wiki/Cortex_c%C3%A9r%C3%A9bral
http://fr.wikipedia.org/wiki/Ophtalmologie
http://www.visiole.fr/glossaire-maladies-vue_80_3.html
http://www.chambon.ac-versailles.fr/science/sante/sens/vu.htm
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