Un exemple d’utilisation du logiciel EduAnatomist en classe de première littéraire sur le thème de la vision
Activité 1
Activité : Mise en évidence de la pluralité d’informations nécessaires à l’élaboration de la perception visuelle à travers un modèle analogique.
Prérequis :
- Les photorécepteurs rétiniens convertissent les stimuli lumineux en signaux de nature électriques codés en fréquence de potentiels d’actions.
- La perception visuelle nécessite le traitement de ces messages nerveux par le cerveau.
Nature du support : Document
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Etape(s) de la démarche scientifique ou expérimentale sur la(les)quelle(s) elle est centrée : Observation.
Forme de l’activité : En binôme.
Consignes : Dans chaque binôme, un élève décrit oralement l’image à son camarade. A l’aide des seules indications orales, ce dernier doit représenter graphiquement l’image de sorte qu’elle soit la plus proche possible du modèle. Le dessinateur est autorisé à poser toutes les questions nécessaires à la réalisation de son travail. Le dessinateur joue ici le rôle du cerveau qui reçoit des informations de la part de la rétine représentée par l’orateur.
Objectifs cognitifs : Afin de construire une « image mentale » réaliste le cerveau a besoin que les signaux électriques envoyés par la rétine portent de nombreuses informations relatives aux éléments situés dans le champ visuel : Taille, Forme, Couleur, Position relative, Mouvement.
Objectifs méthodologiques : Développer les compétences propres à la communication orale.
Nature de la production des élèves :
- Réaliser un schéma.
- Observer les résultats et les interpréter.
Activité 2
Prérequis :
- Le cerveau participe, notamment, aux différentes perceptions sensorielles et à la motricité.
- Le cerveau est constitué de cellules spécialisées, dont de nombreux neurones.
- résultat au test d’appariement visuel d’un patient intoxiqué au monoxyde de carbone (Efron, 1968 ; Benton & Greenberg, 1969)
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- Le patient est incapable de reconnaître visuellement la forme d’un objet. En revanche, il perçoit toujours les couleurs, le mouvement, la taille ou encore la disposition relative des différents éléments placés dans son champs visuel. De surcroit, les autres fonctions cérébrales du patient, telles que la mémoire, la motricité, la parole, l’audition, etc., semblent inaltérées.
Relation inexpliquée : Lien entre l’intoxication par un gaz et la perte de la perception visuelle des formes.
Problème : Comment expliquer que le cerveau du patient intoxiqué au monoxyde de carbone semble fonctionner normalement sauf pour la perception de la forme ?
Hypothèse : On suppose que le monoxyde de carbone n’a endommagé qu’une seule partie du cerveau, une partie précisément chargée de traiter les informations visuelles relatives aux formes. Cela revient à supposer que le cerveau humain présente une spécialisation géographique.
Conséquences vérifiables :
- Si cela est vrai, alors on prévoit que la lésion d’une région du cortex visuel n’obère qu’une seule catégorie d’informations visuelles dans l’image mentale
- Si cela est vrai, alors on prévoit que des informations visuelles différentes mettent en activités des régions distinctes du cortex visuel.
Nature du support : Substitut du réel : IRMf
Questionnement :
- Concevoir un protocole expérimental susceptible de mettre à l’épreuve l’hypothèse.
- Interpréter des résultats expérimentaux.
Etape(s) de la démarche scientifique ou expérimentale sur la(les)quelle(s) elle est centrée : Expérimentation et prise en compte des résultats.
Consignes :
- Afficher une IRMf réalisée lors de la vision de couleurs - lien
- Afficher une IRMf réalisée lors de la vision de mouvements - lien
- Comparer les deux IRMf
Forme de l’activité : Binôme.
Objectifs cognitifs :
- Afin d’identifier la ou les régions cérébrales mises en activités par un stimulus spécifique on réalise une IRMf sur un cobaye non soumis à ce stimulus, puis une seconde IRMf sur le même cobaye soumis au stimulus. L’appareil détermine les différences significatives du débit sanguin entre les deux enregistrements ce qui permet de localiser les zones cérébrales impliquées dans le traitement des messages nerveux générés par ce stimulus.
- Dans le cerveau, les différentes catégories d’informations visuelles sont traitées en parallèles par des régions spécialisées, les aires cérébrales : V3 (pour les formes), V4 (pour les couleurs) et V5 (pour les mouvements). L’aire V1-V2 constitue simplement le point d’entrée des signaux électriques dans le cerveau. Elle distribue aussitôt chaque catégorie d’informations aux aires spécialisées. Puisque l’image mentale réunis (intègre) toutes les catégories informations visuelles il faut admettre que les différentes aires cérébrales sont connectées entres elles et échanges des informations. C’est cette réunion des informations nerveuses qu’on appelle l’intégration cérébrale.
Objectifs méthodologiques :
- Formuler un problème scientifique.
- Formuler une hypothèse et ses conditions vérifiables.
- Concevoir un protocole expérimental.
- Utiliser un logiciel.
- Observer les résultats et les interpréter.
- Traiter et exploiter des données numériques (B2i)
Nature de la production des élèves :
- Affichage des IRMf.
- Identification des aires cérébrales mises en activité par le stimulus.
- Positionnement des aires cérébrales étudiées sur un cadre schématique.
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| Fond de schéma vierge | Production attendue |
Activité 3
Prérequis :
- Les aires visuelles V1 à V5 permettent la perception visuelle intégrée de toutes les caractéristiques d’un objet placé dans le champ visuel.
- Une lésion des lobes temporaux peut provoquer une agnosie optique : le patient reste capable de décrire visuellement toutes les caractéristiques d’un objet (taille, forme, couleur, mouvement) mais ne parvient pas à le reconnaître. Il ne s’agit pas d’une amnésie car le patient reconnaît l’objet s’il peut le toucher ou si on mime son utilisation.
Relation inexpliquée : Lien entre la lésion du lobe temporal et la perte de la reconnaissance visuelle d’un objet familier placé dans le champ visuel.
Problème : Comment expliquer qu’un patient souffrant d’agnosie optique soit incapable de reconnaître visuellement un objet alors que sa perception visuelle est normale ?
Hypothèse : On suppose que la région lésée dans le lobe temporal met en relation les informations prétraitées par les aires visuelles V1 à V5 avec la région cérébrale en charge de la mémoire, afin d’identifier l’objet placé dans le champ visuel.
Conséquences vérifiables : Si cela est vrai, alors on prévoit que les aires visuelles adressent/échangent des signaux électriques avec le lobe temporal qui lui-même adresse/échange des signaux électriques avec le siège de la mémoire.
Nature du support : Description orale du cas clinique.
Questionnement :
- Formuler une hypothèse.
Etape(s) de la démarche scientifique ou expérimentale sur la(les)quelle(s) elle est centrée : Observation, Hypothèse.
Consignes : Différencier l’action de percevoir et celle de reconnaître.
Forme de l’activité : Collective.
Objectifs cognitifs :
- Il convient de distinguer la perception de la reconnaissance. Re-connaître nécessite de connaître préalablement l’objet et de pouvoir comparer sa perception à cette mémoire.
- Le lobe temporal confronte les informations sensorielles prétraitées par les aires visuelles V1 à V5 aux données de la mémoire, et ce dans le but d’identifier, c'est-à-dire de reconnaître, les éléments observés. Le cheminement occipito-temporal des messages nerveux visuels permettant de répondre à la question « c’est quoi ? », on le désigne par l’expression voie du quoi ou voie ventrale.
Objectifs méthodologiques :
- Formuler un problème scientifique.
- Formuler une hypothèse et ses conditions vérifiables.
Nature de la production des élèves : Positionnement des aires cérébrales étudiées sur un cadre schématique.
Activité 4
Prérequis :
- Les aires visuelles V1 à V5 permettent la perception visuelle intégrée de toutes les caractéristiques d’un objet placé dans le champ visuel.
- Une lésion des lobes pariétaux peut provoquer une akinétopsie : le patient reste capable de décrire visuellement un objet et de le reconnaître, mais il ne parvient plus à le saisir aisément. Pourtant, les yeux fermés, le patient se déplace sans difficultés et parviennent à manipuler les composantes de son environnement. En revanche, dès lors qu’il se fie à son regard, ses gestes destinés à la préhension deviennent incohérents : sa main se dirige difficilement vers un objet, empruntant des directions voisines mais néanmoins décalées, et lorsqu’elle arrive enfin à son contact, la pince digitale, c'est-à-dire l’écartement entre le pouce et les autres doigts, se révèle inadaptée à la taille et à la forme de la cible. Plus surprenant encore, lorsque les personnes ataxiques ne cherchent pas à saisir un objet elles se montrent capables d’estimer sa taille… en écartant le pouce et l’index !
Relation inexpliquée : Lien entre la lésion du lobe pariétal et l’altération de la préhension visuo-motrice.
Problème : Comment expliquer qu’un patient souffrant d’akinétopsie soit incapable de se saisir d’un objet qu’il regarde, alors que sa perception visuelle et sa motricité sont normales ?
Hypothèse :
- On suppose que la région lésée dans le lobe pariétal permet de localiser l’objet par rapport au corps et d’évaluer sa taille.
- On suppose que la région lésée dans le lobe pariétal met en relation les informations prétraitées par les aires visuelles V1 à V5 avec la région cérébrale en charge de la motricité.
Conséquences vérifiables : Si cela est vrai, alors on prévoit que les aires visuelles adressent/échangent des signaux électriques avec le lobe pariétal qui lui-même adresse/échange des signaux électriques avec l’aire motrice.
Nature du support : Description orale du cas clinique.
Questionnement :
- Formuler une hypothèse.
Etape(s) de la démarche scientifique ou expérimentale sur la(les)quelle(s) elle est centrée : Observation, Hypothèse.
Consignes : Déterminer les conditions nécessaires à la préhension d’un objet.
Forme de l’activité : Collective.
Objectifs cognitifs : A l’aide des informations sensorielles prétraitées par les aires visuelles V1 à V5, le lobe pariétal permet de localiser les objets dans l’espace et d’évaluer leur taille. Le cheminement occipito-pariétal des messages nerveux visuels permettant de répondre à la question « c’est où ? », on le désigne par l’expression voie du où ou voie dorsale.
Objectifs méthodologiques :
- Formuler un problème scientifique.
- Formuler une hypothèse et ses conditions vérifiables.
Nature de la production des élèves : Positionnement des aires cérébrales étudiées sur un cadre schématique.
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Activité 5 :
Prérequis :
- La perception visuelle repose sur l’activité de plusieurs aires cérébrales.
- Les différentes aires cérébrales régénérent/cicatrisent approximativement de la même façon suite à une lésion physique.
- On considère le cas d’une jeune fille présentant des crises d’épilepsie nombreuses et pharmacorésistantes depuis l’âge de cinq ans et six mois. Diverses analyses révèlent que ces crises sont provoquées par une activité anormale de neurones situées dans l’hémisphère cérébral gauche, plus exactement à cheval sur les lobes frontal et temporal. L’enfant apprend à lire, à écrire et à parler, mais la multiplication des crises perturbe son développement cognitif au point qu’un retard mental commence à apparaître. Les médecins décident alors, en accord avec la famille, d’opérer la fillette, désormais âgée de neuf ans, afin de retirer le foyer épileptogène. L’opération se traduit par une résorption des crises mais aussi par la perte du langage, ce que l’on nomme une aphasie. L’enfant reste capable d’écrire, il entend et comprend toujours le langage oral. Cette perte de l’élocution est consécutive à l’ablation de l’aire de Broca, aussi appelée aire motrice du langage et située dans le lobe frontal de l’hémisphère gauche
- IRM post-opératoire - lien
- La jeune patiente retrouve progressivement l’usage de la parole, parvenant de nouveau à prononcer des phrases au bout d’un an et demi.
Relation inexpliquée : Lien entre la période de rééducation et la récupération de l’élocution.
Problème : Comment expliquer que la jeune fille opérée récupère l’élocution alors que l’aire cérébrale responsable de cette fonction a été excisée ?
Hypothèse 1: On suppose que l’aire cérébrale excisée s’est reconstituée durant la période de rééducation.
Hypothèse 2 : On suppose qu’à l’issue de la période de rééducation, une aire cérébrale distincte de l’aire de Broca prend en charge l’élocution.
Pour éprouver l'hypothèse 1
Conséquences vérifiables 1: Si cela est vrai, alors on prévoit qu’un IRM réalisé à l’issue de la période de rééducation montre une reconstitution de l’aire de Broca.
Nature du support : Substitut du réel : IRM
Questionnement :
- Concevoir un protocole expérimental susceptible de mettre à l’épreuve l’hypothèse.
- Interpréter des résultats expérimentaux.
Etape(s) de la démarche scientifique ou expérimentale sur la(les)quelle(s) elle est centrée : Expérimentation et prise en compte des résultats.
Consignes : Afficher une IRM post-opératoire - lien
Forme de l’activité : Binôme.
Objectifs cognitifs : L’IRM post-opératoire révèle que la récupération fonctionnelle ne résulte pas d’une reconstruction cérébrale puisque la partie du cerveau retirée au cours de l’opération ne s’est pas reformée. D’une façon générale, une aire cérébrale excisée ou détruite ne se reconstitue pas.
Objectifs méthodologiques :
- Formuler un problème scientifique.
- Formuler une hypothèse et ses conditions vérifiables.
- Concevoir un protocole expérimental.
- Utiliser un logiciel.
- Observer les résultats et les interpréter.
- Traiter et exploiter des données numériques (B2i)
Nature de la production des élèves : Affichage de l’IRM.
Pour éprouver l'hypothèse 2
Hypothèse 2 : On suppose qu’à l’issue de la période de rééducation, une aire cérébrale distincte de l’aire de Broca prend en charge l’élocution.
Conséquences vérifiables 2: Si cela est vrai, alors on prévoit qu’une IRMf réalisé à l’issue de la période de rééducation montre une mise en activité d’une aire cérébrale distincte de l’aire de Broca, lors de l’élocution de la jeune patiente.
Nature du support : Substitut du réel : IRMf
Questionnement :
- Concevoir un protocole expérimental susceptible de mettre à l’épreuve l’hypothèse.
- Interpréter des résultats expérimentaux.
Etape(s) de la démarche scientifique ou expérimentale sur la(les)quelle(s) elle est centrée : Expérimentation et prise en compte des résultats.
Consignes : Afficher une IRMf réalisée lors de la prononciation de mots ou de phrases par cet enfant, 18 mois après l’opération - lien
Forme de l’activité : Binôme.
Objectifs cognitifs : A la suite d’une lésion cérébrale (accident, AVC, etc.), la fonction cérébrale assurée par la zone lésée peut être prise en charge par une région distincte.
Objectifs méthodologiques :
- Formuler un problème scientifique.
- Formuler une hypothèse et ses conditions vérifiables.
- Concevoir un protocole expérimental.
- Utiliser un logiciel.
- Observer les résultats et les interpréter.
- Traiter et exploiter des données numériques (B2i)
Nature de la production des élèves :
- Affichage de l’IRMf.
Activité 6
Prérequis :
- Activité 5.
- L’aire de Broca recueille les informations issues de l’aire « décisionnaire » de l’élocution, puis adresse des informations à l’aire motrice responsable des mouvements de la mâchoire, des lèvres et de la langue.
- Les échanges d’informations au sein du système nerveux reposent sur l’anatomie des cellules nerveuses : chaque neurone possède des prolongements qui assurent la connexion à un ou plusieurs autres neurones, eux-mêmes connectés à d’autres neurones.
Relation inexpliquée : Lien entre la prise en charge d’élocution par une aire cérébrale distincte de l’aire de Broca et l’éloignement géographique/anatomique de cette aire du réseau de neurones impliqués dans l’élocution.
Problème : Comment expliquer qu’une aire cérébrale située dans l’hémisphère droit puisse prendre en charge l’élocution, alors que cette fonction repose sur le traitement de signaux électriques au sein d’un réseau de neurones situé, au moins partiellement, dans l’hémisphère gauche (cf. aire de Broca) ?
Hypothèse : On suppose que les neurones de l’aire cérébrale qui prend en charge l’élocution ont établi des connexions synaptiques avec les neurones du réseau de neurones impliqué dans l’élocution et dans lequel étaient intégrés les neurones de l’aire de Broca.
Conséquences vérifiables : Si cela est vrai, alors on prévoit que des neurones peuvent modifier leurs connexions synaptiques.
Nature du support : Tout document montrant la modification de connexions synaptiques.
Questionnement : Formuler une hypothèse et les conditions vérifiables.
Etape(s) de la démarche scientifique ou expérimentale sur la(les)quelle(s) elle est centrée : Expérimentation et prise en compte des résultats.
Consignes : Exploitation du document considéré.
Forme de l’activité : Individuelle.
Objectifs cognitifs :
- A tout moment, de nouvelles connexions synaptiques sont susceptibles d’apparaître tandis que d’autres disparaissent, modifiant ainsi le réseau neuronal et subséquemment l’organisation fonctionnelle de l’encéphale. C’est ce phénomène que l’on nomme la neuroplasticité.
- Le fait que l’ontogenèse de l’encéphale soit avant tout sous le contrôle de l’expression du génome explique les ressemblances inter-individuelles : les IRM et les IRMf montrent que la plupart des gens partagent une même organisation structurale et fonctionnelle du cerveau. De là découle que tous les êtres humains voient plus ou moins le monde la même façon. Mais, le déterminisme environnemental de la neuroplasticité, combiné à l’évidente dissemblance des expériences personnelles, conduit inévitablement à l’unicité des réseaux de neurones cérébraux, de sorte que personne ne voit le monde de la même manière que les autres.
Objectifs méthodologiques :
- Formuler un problème scientifique.
- Formuler une hypothèse et ses conditions vérifiables.
Nature de la production des élèves : Réalisation d’un schéma fonctionnel de la neuroplasticité.
