1- Organisation fonctionnelle de la rétine - 1ère ES/L
Le contexte
La démarche se place dans le cadre du programme de 1ère ES/L entré en vigueur en Septembre 2011, dans le thème "Représentation visuelle"
Il s'agit de découvrir la structure de la rétine, les différentes catégories de photorécepteurs, leur rôle dans la perception d'une image ainsi que le lien entre certaines anomalies génétiques et des déficiences visuelles.
Remarque : la partie de génétique sur les pigments rétiniens (place de l'Homme parmi les Primates) est traitée séparément.
L'objectif
On cherche à déterminer comment la rétine intervient dans la réception des images.
- Une première approche : utilisation de cas cliniques d'anomalies de vision
- Une seconde approche : modélisation informatique du fonctionnement des photorécepteurs rétiniens
Une première approche : la découverte du rôle de la rétine à partir de l'examen d'anomalies de la vision
L'examen de plusieurs cas d'anomalies de la vision découlant de lésions ou de maladies met en évidence l'importance de la rétine dans la réception des images et permet d'identifier plusieurs composantes de la rétine, de localisation et de fonction différentes.
Exemple de consigne à donner à des élèves : à partir de l'exploitation des cas cliniques présentés, mettez en évidence le rôle de la rétine dans la vision et identifiez des particularités de la rétine.
| Type d'anomalie constatée | Origine biologique de l'anomalie |
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Atteinte de la vision centrale : voir le détail du cas clinique Patient âgé présentant un trouble de la vision centrale des deux yeux. Lecture très difficile, voire impossible. Difficultés à reconnaître les visages qui apparaissent sans netteté, sans détails ni structures. Acuité visuelle diminuée. Bonne perception de l'espace, des formes et des mouvements. Image périphérique présente. |
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Cécité progressive survenant dès l'enfance : voir le détail du cas clinique Patient ayant des difficultés à fixer et suivre du regard. Peu de sensibilité visuelle aux stimuli. Il présente un nystagmus. Cécité nocturne, suivie d'un rétrécissement progressif du champ visuel périphérique (vision dite "en canon de fusil", semblable à une vision à travers un tube pour les deux yeux). Au bout de quelques années, il y a cécité complète. |
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Achromatopsie incomplète : voir le détail du cas clinique Patient incapable de distinguer la couleur de son environnement sauf si on lui présente des objets bleus sur fond jaune. Il est extrêmement gêné par la lumière vive. Faible acuité visuelle (2/10). voir un sujet de l'épreuve d'enseignement scientifique de 1ère L (ancienne épreuve) sur l'achromatopsie complète
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Les apports à la compréhension de l'intervention de la rétine... voir un exemple de résultat attendu
L'examen des cas cliniques permet de comprendre différents aspects de la perception visuelle (acuité visuelle, vision des couleurs, transmission de messages nerveux). Il est nécessaire de compléter par une étude de l'organisation de la rétine puis une étude des propriétés des photorécepteurs.
Une seconde approche : exploration du fonctionnement des photorécepteurs rétiniens à l'aide d'une modélisation informatique
Certaines anomalies de la rétine (les achromatopsies complètes ou non, le daltonisme) sont caractérisées par l'absence de détection des couleurs : toutes les couleurs ou certaines seulement. Ces anomalies s'expliquent en admettant l'existence de photorécepteurs rétiniens, les cônes, qui permettent de distinguer les couleurs.
Exemple de consigne à donner : à l'aide du logiciel de Visu, réalisez une modélisation du fonctionnement de la rétine pour trouver combien de cônes aux propriétés différentes sont nécessaires pour qu'un être humain puisse distinguer les unes des autres les couleurs du spectre usuel de la lumière blanche. Utilisez les modèles pour expliquer une déficience visuelle : un cas de daltonisme.
Remarque préalable : la réponse physiologique est un message nerveux mais ce message dans le logiciel a été codé par l'intensité de la réponse des cônes en pourcentage de la réponse maximale. Ainsi, dans un modèle à trois cônes, la réponse est le triplet d'intensités de réponses des trois cônes (X, Y, Z). Si une autre radiation lumineuse engendre le même triplet, la réponse est la même et la personne percevra la même couleur. On parlera alors de longueurs d'ondes ambigües.
| Instructions de travail détaillées | Résultats obtenus |
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1ère étape : création d'un modèle à un cône. Ce modèle considère qu'il existe un seul type de photorécepteurs permettant la perception des couleurs. Il permet de se familiariser avec le logiciel. Ouvrez le logiciel de Visu et choisissez le module "Rétine". ⇒ A l'aide de la fiche technique du logiciel, créez un modèle de cône et obtenez l'"image". Conseil : commencez par un modèle très simple comme par exemple une réponse constante quelle que soit la longueur d'onde. Obtenez l'"image" résultante. Attention : ne pas demander l'affichage des ambiguïtés car tout est ambigu. ⇒ Modifiez le modèle pour éliminer les ambiguïtés (deux radiations lumineuses de longueurs d'ondes différentes ne doivent pas générer le même signal) et redemandez le calcul par le logiciel. La palette de couleurs obtenue permet de vérifier s'il y a des ambiguïtés : en l'absence d'ambiguïtés, elle correspond au spectre de la lumière blanche. Réalisez une copie d'écran du modèle puis enrichissez-la en indiquant d'éventuels points ambigus et/ou des parties du spectre non couvertes. Remarques : - il peut être intéressant de comparer les modèles créés par les élèves ainsi que le résultat. - la création d'un modèle croissant ou décroissant (la réponse augmente ou diminue sans varier dans l'autre sens) est la seule façon de ne pas créer d'ambiguïtés. L'existence d'anomalies de la vision qui n'affectent la vision que de certaines couleurs permet d'invalider un tel modèle puisqu'elle montre qu'un cône n'est pas activé par toutes les longueurs d'ondes du domaine visible. Il faut donc renoncer à ce modèle. ⇒ Concluez sur l'adéquation de ce modèle avec la réalité. Dans le cas où votre précédent modèle permet de couvrir tout le spectre de la lumière blanche, tenez compte de l'existence d'anomalies comme le daltonisme. |
voir des exemples de résultats pour un modèle à un cône Les résultats permettent de faire la liste des conditions à réunir pour modéliser correctement le fonctionnement des phororécepteurs de type cônes : - La réponse ne doit pas etre ambigüe, c'est-à-dire que deux longueurs d'ondes différentes doivent être absorbées différemment par le cône, ce qui créera deux réponses différentes. Dans le cas contraire, l'existence d'ambiguïtés conduit à la perception de la même couleur : par exemple, le bleu et le rouge sont perçus comme une même couleur si la réponse du cône est identique pour les deux longeurs d'ondes correspondantes. - Le cône doit absorber dans tout le domaine visible. L'existence d'anomalies de la vision des couleurs invalide le modèle à un cône. En effet, une personne daltonienne distingue moins de couleurs qu'un non daltonien, mais elle en perçoit. Cela signifie qu'elle possède des cônes mais que ces cônes ne perçoivent pas tout le spectre de la lumière blanche. On est donc obligé d'admettre qu'il existe au moins deux types de cônes et que l'un d'entre eux est absent chez les daltoniens. |
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2ème étape : le modèle à un cône n'étant pas satisfaisant, on passe à un modèle à deux cônes. ⇒ Ouvrez le modèle à un cône déjà construit : "un.con". En vous basant sur l'allure générale de la réponse de ce modèle, construisez un modèle à deux cônes et obtenez l'"image" résultante ainsi que les ambiguïtés. Réalisez une copie d'écran du modèle puis enrichissez-la en indiquant des points ambigus et/ou des parties du spectre non couvertes. ⇒ Concluez sur l'adéquation de ce modèle avec la réalité. |
voir des exemples de résultats pour un modèle à deux cônes Avec le logiciel, il est possible de modéliser le fonctionnement de la rétine pour les couleurs avec deux cônes, à condition que les deux cônes couvrent l'ensemble des radiations lumineuses et qu'il y ait un chevauchement important des deux courbes. Dans ce cas, la référence au daltonisme est utile car elle permet de montrer que le domaine de longueurs d'ondes couvert par un type de cônes n'est pas aussi large que dans la modélisation. Lorsque le domaine couvert par un cône est étroit, il peut y avoir des ambiguïtés entre deux longueurs d'ondes, d'où la perception de la même couleur alors que les longueurs d'ondes sont différentes. Quel que soit le modèle à deux cônes créé, on montre qu'en réalité la réponse de chaque cône couvre une zone de longueurs d'ondes assez restreinte et cela oblige à introduire un troisième type de cône. |
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3ème étape : avec un modèle à deux cônes, il existe des ambiguïtés. Cela justifie l'introduction d'un modèle à trois cônes. ⇒ Ouvrez le modèle à trois cônes déjà contruit : "trois_reel.con" et testez-le. Vérifiez que le daltonisme peut être simulé par ce modèle. ⇒ Qu'en concluez-vous ? |
voir des exemples de résultats pour un modèle à trois cônes Le modèle à trois cônes supprime les ambiguïtés . Chaque type de cône a un domaine d'absorption des longueurs d'ondes suffisamment restreint pour pouvoir expliquer les cas de daltonisme. Cela permet de valider le modèle. |
