Thème 3 Corps humain et santé source source source Thème 3 Corps humain et santé De l’œil au cerveau : Quelques aspects de la vision Lycée Philippe Lamour Nîmes

Points communs et nouveautés avec l’ancien programme 1S Pas d’équivalence Nouveau programme : Le cristallin : une lentille vivante 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.  

Points communs et nouveautés avec l’ancien programme 1S Pas d’équivalence Nouveau programme 1S : Les photorécepteurs : un produit de l’évolution 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 (3 types de cônes respectivement sensibles au bleu, au vert et au rouge) et les bâtonnets sensibles à l’intensité lumineuse. Les gènes des pigments rétiniens constituent une famille multigénique (issue de duplications) dont l’étude permet de placer l’Homme parmi les Primates. Des anomalies des pigments rétiniens se traduisent par des perturbations de la vision des couleurs. Le message nerveux issu de l’œil est acheminé au cerveau par le nerf optique.

Points communs et nouveautés avec l’ancien programme 1S Nouveau programme : Cerveau et vision : aires cérébrales et plasticité Plusieurs aires corticales participent à la vision. 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. 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. 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. 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. Ancien programme : Le cortex sensoriel et la plasticité du système nerveux central L'information sensorielle générée à la périphérie est transmise au cortex sensoriel. Dans le cortex somatosensoriel, chaque territoire de l'organisme est représenté. Cette représentation est déformée par rapport à la surface des territoires corporels. Les zones corticales concernées sont constituées de neurones interconnectés et organisés en colonnes. Des modifications de l'activité neuronale à la périphérie régulent l'organisation dynamique du cortex. Elles se traduisent par un remodelage des connexions synaptiques, témoin de la plasticité neuronale. La neuroplasticité est une propriété générale du système nerveux central.

Points communs et nouveautés avec l’ancien programme 1S Plasticité cérébrale : part de l’inné et de l’acquis dans la mise en place du phénotype fonctionnel. Notion de récepteurs sensitifs Différences : Plus d’approche au niveau cellulaire : neurone, codage du message nerveux, transmission synaptique… Étude aire corticale somato-sensorielle remplacée par aires visuelles. Les problèmes rencontrés : Comment comprendre « l’effet du LSD » et « la sollicitation répétée des mêmes circuits neuroniques » (dernière partie) sans traiter des neurones et de la synapse ?

Points communs et nouveautés avec l’ancien programme 1L L’œil : système optique de la formation des images. L’œil est limité par trois enveloppes emboîtées : la sclérotique, la choroïde, et la rétine qui se prolonge par le nerf optique. Il comprend des milieux transparents (cornée, humeur vitrée, cristallin , humeur aqueuse) qui rendent possible la formation d’images sur la rétine. Nouveau programme 1S : Le cristallin : une lentille vivante 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.

Points communs et nouveautés avec l’ancien programme 1L Nouveau programme 1S : Les photorécepteurs : un produit de l’évolution 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 (3 types de cônes respectivement sensibles au bleu, au vert et au rouge) et les bâtonnets sensibles à l’intensité lumineuse. Les gènes des pigments rétiniens constituent une famille multigénique (issue de duplications) dont l’étude permet de placer l’Homme parmi les Primates. Des anomalies des pigments rétiniens se traduisent par des perturbations de la vision des couleurs. Ancien programme 1L : La rétine : les photorécepteurs rétiniens génèrent des messages sensoriels Structure des photorécepteurs rétiniens La rétine est un tissu nerveux. La représentation visuelle du monde est dépendante de la diversité et des propriétés des photorécepteurs rétiniens. Les cônes et bâtonnets sont des cellules photoréceptrices dont la répartition est variable suivant les endroits de la rétine. Fonction des photorécepteurs rétiniens. La stimulation des photorécepteurs rétiniens par la lumière est à l’origine du processus visuel. L’absorption des photons par les pigments rétiniens des cônes et des bâtonnets est à l’origine du message nerveux sensoriel. Ce processus se traduit en message nerveux destiné au cerveau Les bâtonnets sont les cellules photo réceptrices fonctionnelles en faible éclairement. La rétine humaine comprend trois types de cônes, chacun présente un maximum de sensibilité pour une longueur d’onde donnée. Ils participent à la vision des couleurs mais sont beaucoup moins sensibles à la lumière que les bâtonnets. Le message nerveux provenant de la rétine est propagé par les fibres du nerf optique sous forme de signaux électriques.

Points communs et nouveautés avec l’ancien programme 1L Les voies visuelles Les messages nerveux véhiculés par les fibres du nerf optique aboutissent à un relais cérébral connecté aux aires du cortex visuel occipital. Les fibres du nerf optique communiquent avec le relais cérébral au niveau de synapses par un message chimique. Toute perturbation du fonctionnement des synapses sous l’action de substances chimiques a des conséquences sur le fonctionnement des neurones. Nouveau programme 1S : Le message nerveux issu de l’œil est acheminé au cerveau par le nerf optique. Cerveau et vision : aires cérébrales et plasticité Plusieurs aires corticales participent à la vision. 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. 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. 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. 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. Le cerveau : un exemple d’intégration des signaux Le cortex visuel comporte plusieurs aires qui répondent de façon spécifique à des aspects différents du stimulus visuel (couleur, direction du mouvement, reconnaissance des formes). D’autres aires corticales participent à l’élaboration de la perception visuelle (cortex temporal, pariétal…). Les différentes aires du cortex visuel échangent en permanence des informations qui permettent une perception visuelle globale des objets. L’organisation générale du cortex visuel est la même pour tous (déterminisme génétique). Les apprentissages et les expériences acquises sont à l’origine d’une organisation différente des réseaux de neurones corticaux qui fait qu’aucun cerveau ne voit le monde exactement comme un autre.

Points communs et nouveautés avec l’ancien programme 1L Miliex transparents Photorécepteurs Bâtonnets (luminosité) Cônes (3 couleurs) Nerf optique Aires visuelles multiples Plasticité cérébrale : part de l’inné et de l’acquis dans la mise en place du phénotype fonctionnel. Différences : Action des photons  création d’un message nerveux Anomalies (cristallin, pigments) Famille multigénique des pigments Action LSD

Continuité avec les acquis de Seconde et de Collège Thème 1 (sous-partie La nature du vivant) « La cellule […] échange de la matière et de l’énergie avec son environnement » ; notion d’organites « L’information génétique est contenue dans la molécule d’ADN […] La variation génétique repose sur la variabilité de la molécule d’ADN (mutation) » « L’universalité du rôle de l’ADN est un indice de la parenté des êtres vivants ». Thème 1 (sous-partie La biodiversité, résultat et étape de l’évolution) « Au sein de la biodiversité [génétique], des parentés existent qui fondent les groupes d’êtres vivants » Thème 3 (sous-partie Une boucle de régulation nerveuse) Notion de capteurs (barorécepteurs) envoyant un message à un centre nerveux (bulbe rachidien). Collège : 6ème (Diversité, parenté et unité des êtres vivants) : notion de cellule (membrane, cytoplasme, noyau). 4ème (Relations au sein de l’organisme – La communication nerveuse) : Notion de stimulation extérieure reçue par un organe sensoriel : le récepteur. Notion de message nerveux sensitif, transmis aux centres nerveux par un nerf sensitif. 3ème (Diversité et unité des êtres humains) : Chaque gène est porteur d’une information génétique et détermine un caractère héréditaire. Chaque chromosome contient de nombreux gènes et est constitué d’ADN. 3ème (Evolution des organismes vivants et histoire de la Terre) : La comparaison des espèces conduit à imaginer entre elles une parenté, qui s’explique par l’évolution. La cellule, unité du vivant, et l’universalité du support de l’information génétique dans tous les organismes, Homme compris, indique sans ambiguïté une origine commune. L’apparition de caractères nouveaux au cours des générations suggère des modifications de l’ADN : ce sont les mutations. 4ème (Relations au sein de l’organisme – La communication nerveuse) : Le cerveau est un centre nerveux qui analyse les messages nerveux sensitifs (perception). La consommation ou l’abus de certaines substances peuvent perturber le fonctionnement du système nerveux. La perception de l’environnement suppose des communications au sein d’un réseau de cellules nerveuses appelées neurones

Des activités à privilégiées (à répartir sur 3 ou 4 semaines) Situation déclenchante : Travail à la maison à partir d’exemples simples : Cataracte / Daltonisme / LSD Amène la problématique : Comment se construit la perception visuelle? Cristallin : lentille vivante Activité : Dissection et manipulation du cristallin. Groupe Arguments : Manipulation: ludique, compétence importante. Réinvestissement des capacités exercées lors de la 1ère dissection, éventuellement évaluation. Permet de localiser et comprendre l’organisation de l’œil et le rôle du cristallin. Anomalie et évolution du cristallin Classe entière Base d’entraînement exercice IIB groupes hétérogènes Compétence : Extraire et organiser des connaissances Les photorécepteurs Groupe Situation initiale : Projection d’une photographie de lame mince de rétine. Problème de temps pour une observation microscopique. Activités : Etude de Doc Photos MEB : distinction cônes et bâtonnets Logiciels de simulation De Visu, L’Œil (fonctionnement du photorécepteur, transmission du message nerveux). Constat : Pigments rétiniens photosensibles Logiciel Phylogène : comparaison des pigments rétiniens chez les primates

Des activités à privilégiées ? Les voies visuelles Classe entière De la rétine au cerveau Recherche sur les voies nerveuses : cortex visuel, trajet des messages nerveux Le message nerveux proprement dit : dépolarisation, potentiel d’action. Prolongement - réinvestissement : relation phénotype/génotype ex: Daltonisme Aires cérébrales et plasticité Groupe Logiciel EduAnatomist (les différentes aires visuelles + plasticité cérébrale) Action du LSD

Quelques pistes envisageables Pistes AP Pistes Traitement des déficiences du cristallin Etude statistique des déficiences de la vision (OMS) - Capacités à tester : traduire des données sous forme de tableaux, graphiques, histogrammes… Ex. http://who.int/mediacentre/factsheets/fs282/fr/index.html Faire un lien entre courbure du cristallin et degré de myopie (autres paramètres anatomiques supposés fixes) - capacités à tester : construire un graphique et l’exploiter, à partir d’un tableau de données (données à trouver) Piste des visions des couleurs chez les vertébrés Etude de graphes d’absorption - capacités à tester : comparer des graphes de vision de différents animaux à celui de la vision humaine Mesure du champ visuel capacité à tester : construction du graphique et exploitation Piste daltonisme Témoignage historique d’un daltonien et sa vision de l’environnement capacité à tester : comprendre et argumenter (document pouvant être dans une langue étrangère) Historique des découvertes sur le daltonisme - capacité à tester : saisir des données, les traiter (recenser les informations) pour construire une frise des temps montrant les étapes des découvertes concernant le daltonisme (histoires des Sciences) utiliser les TICE (recherche + réalisation d’un diaporama) Voir comme un daltonien - capacité à tester : utiliser les TICE (utilisation d’un logiciel en ligne http://www.vbfrance.com/codes/MODIFIER-COULEURS-COMME-DALTONIEN-VOIT_18354.aspx et exploitation de l’image, traitement, enregistrement…)

Quelques pistes envisageables Pistes TPE Traitements actuels et/ou historique des déficiences du cristallin Comparé aux oiseaux, nous sommes tous daltoniens Vision de l’art chez les daltoniens ; utilisation de filtres …