EXERCICE 1 : Question DE BAC de type 1 : RESTITUTION ORGANISEE DE CONNAISSANCES (ROC) & QCM : REPRESENTATION VISUELLE : DE l’OEIL AU CERVEAU :

QUELQUES ASPECTS DE LA VISION { 10 points / 1h 10 min }

ROC : Expliquez en quoi la rétine est un convertisseur lumineux essentiel à la vision humaine { 6 points / 1h }

QCM : A l’aide des documents ci-dessous, choisissez la (ou les) bonne(s) propositions qui rendent compte de l’observation suivante : « une étoile peu lumineuse n’est pas vue si on la fixe, mais si on fixe une étoile voisine plus brillante ». Indiquez dans chaque cas le (ou les) document(s) utilisé(s)

pour justifier votre choix. { 4 points / 15 min }

1ère S 3 h Lundi 19 Novembre 2018

DST # 2

1

C 1 restituer ses connaissances par un QCM et une ROC

EXERCICE 2 : 2 QuestionS DE BAC de type 2.1 : PRS : { 10 points / 1h 40 min }

LES CAPACITES DE MEMORISATION DES AVEUGLES (3 points, 25 min)

Montrez que l’aire visuelle primaire est impliquée dans la mémorisation verbale chez les non-voyants de naissance et expliquez en quoi ces données illustrent la plasticité cérébrale.

Les 9 points les plus hauts sont ceux des non-voyants, les 6 plus bas des voyants

UNE PROTEINE DANS LA PLASTICITE DU CORTEX (2 points / 25 min)

Comparez les performances d’apprentissage chez les 2 lots de souris et discutez de l’importance de la protéine CamK II dans la plasticité cérébrale

2

C 17 exploiter des résultats

EXERCICE 3 : Question BAC de type 2.2 : PRS : { 5 points / 50 min }

A partir du corpus documentaire proposé et en vous appuyant sur vos connaissances, montrez que ces examens cliniques permettent d’établir la cause du trouble visuel affectant le patient D.

courbes du document 2 : patient D : les 2 courbes en ligne droites, constantes / patient normal : les 2 courbes qui montent au-dessus du patient D puis en dessous pour chacun des 2 yeux

courbes du document 3 : en haut : courbe de l’individu « normal » / en bas : patient D

3

EXERCICE 1 : Question DE BAC de type 1 : RESTITUTION ORGANISEE DE CONNAISSANCES (ROC) & QCM : REPRESENTATION VISUELLE : DE l’OEIL AU CERVEAU :

QUELQUES ASPECTS DE LA VISION { 10 points / 1h 10 min }

ROC : Expliquez en quoi la rétine est un convertisseur lumineux essentiel à la vision humaine { 6 points / 1h }

Placée entre l’humeur vitrée et la choroïde, d’épaisseur 400 micromètres, la rétine comporte 3 catégories de neurones de l’avant vers l’arrière de l’oeil : ganglionnaires, bipolaires et photorécepteurs.

Une stimulation expérimentale par de la lumière contre que seuls les derniers génèrent des différences de potentiel mesurables avec des microélectrodes. Elles sont donc les cellules candidates responsables de la photoréception. pour chaque œil humain : rétine = disque de 42 mm Ø, d’épaisseur entre 150 µm au centre de la macula (fovéa) et 400 dans la rétine périphérique, 100 millions de bâtonnets et 6 millions de cônes soit 106 x 10^6 photorécepteurs. Constats :

Histoire des Sciences : depuis le XIXè siècle, en mélangeant RVB (Rouge/ Vert/ Bleu) en proportions variables => obtention de toutes les couleurs => théorie trichromatique telle qu’il existe 3 types de détecteurs rétiniens (physicien britannique Thomas Young, 1801)

I / DE l’iMPORTANCE d’UNE RETINE FONCTIONNELLE DANS LA CAPTURE / CONVERSION LUMINEUSE : L’étude dE troubleS RETINIENS MODIFIANT LA PERCEPTION LUMINEUSE

A/ Les daltonismes : des mutations d’un gène d’opsine ou un défaut de nombre entraîne un déficience de perception lumineuse. La vision qui se caractérise par une incapacité à différencier certaines teintes ou couleurs. Le nom de cette déficience vient de celui du physicien John Dalton (1766-1844) qui en était lui-même atteint.Environ 8 % des hommes en sont atteints à divers degré et un peu moins de 1 % des femmes. Cette différence s’explique par le fait que la principale forme de daltonisme est héréditaire et que les mutations génétiques qui en sont la cause surviennent sur le chromosome X. Comme le gène muté est récessif, les femmes qui possèdent deux exemplaires du chromosome X peuvent être porteuses sans être atteintes si l’autre chromosome X est à allèle non muté. Mais pas les hommes, qui n’en possèdent qu’un, et qui sont donc automatiquement atteint s’ils ont la mutation.Les cas de daltonisme total, l'achromatopsie, où le monde n’apparaît qu’en teinte de gris sont très rares. Plus souvent, les daltoniens ont de la difficulté à distinguer entre le rouge et le vert et, beaucoup plus rarement, entre le bleu et le jaune.  Le daltonisme classique au rouge et au vert est le résultat, au niveau de la rétine, d’un manque de cônes « rouges ». On classe en général les formes de daltonisme selon le type du cône atteint. Aux trois types de cônes correspondent donc trois types de daltonismes, où la deutéranopie, la déficience du pigment vert, est la plus fréquente

B/ la DMLA

1ère S 3 h Lundi 19 Novembre 2018

Corrigé du DST # 2

condition d’intensité

lumineuse de l’environnement

de l’individu

phénotype visuel de l’individu Hypothèse interprétative

faibleon ne distingue pas les couleurs des

objets qui, en plus, apparaissent imprécis il existe au niveau de cette plaque

photographique qui impressionne la lumière et qu’est la rétine 2 systèmes : l’un fonctionnant en faible éclairement,

l’autre en fort éclairementforte

- on distingue bien les couleurs des objets et beaucoup mieux les détails

qu’en faible éclairement

4

C/ la rétinite pigmentaire

D/ le décollement rétinien peut entraîner une perte transitoire de vision : cela souligne l’importance de l’emplacement correct de la rétine pour convertir des informations lumineuses puisque le champ n’est plus perçu convenablement.

II / un tissu trisstratifié à 3 types de couches cellulaires DONT LA DERNIERE EST PHOTORECEPTRICE

A/ les photorécepteurs captent la lumière au niveau de leurs opsines

Une simple observation au MO x 400 (microscope optique, objectif x 40) d’une lame de coupe de rétine de Vertébré montre l’existence de 3 couches de neurones. film, pellicule photo, écran de formation les images des objets observés dans le champ visuel

➱ donc la lumière doit traverser 2 couches avant d’atteindre les photorécepteurs et les stimuler : le message nerveux naissant de cette stimulation se propage alors en sens inverse, des photorécepteurs vers les neurones multipolaires

B/ conversion interneuronique d’un message codé en modulation de fréquence de PA en quantité de neurotransmetteur synaptique

Puis le trajet électrique des axones des photorécepteurs jusqu’à ceux des cellules ganglionnaires du nerf optique nécessite la traversée des espace interneuroniques de quelques dizaines de nm que les message nerveux codées en modulation de fréquences de signaux ne peut franchir : on observe une conversion en amplitude (quantité = concentration = taux) de neurotransmetteur livrés entre ces neurones selon la loi du tout ou rien : sous un seuil de stimulation électrique, il n’y a pas de message transmis le long de l’axone d’un neurone .Les seuils de stimulation des différentes catégories de photorécepteurs sont différent selon la nature de l’opine

couche 1 = photorécepteurs couche 2 = neurones bipolaires

couche 3 = neurones multipolaires =

cellules ganglionnaires

structure

cellules réceptrices sensorielles, la plus éloignée du cristallin de la vision

cônes et bâtonnets qui contiennent un pigment rétinien protéique, l'opsine (ou

ionopsine, associé au rétinal) = à axones en contact avec les neurones

bipolaires

auxquelles s'ajoutent cellules horizontales + cellules amacrines, à

axones en rapport avec les dendrites et corps cellulaires des

cellules multipolaires (ganglionnaires)

à l'origine des fibres du nerf optique

fonction

seules cellules rétiniennes excitables par la lumière, = lieu de naissance des

messages nerveux

transmettre et sommer les messages reçus des

photorécepteurs vers les cellules multipolaires

acheminer au cerveau le message nerveux généré par les stimuli visuels à un instant

t

5

1 neurone type : 1 corps cellulaire + prolongements cytoplasmiques (dendrites, axone) : une zone réceptrice (dendrites et corps cellulaire) recevant messages d’autres neurones + région émettrice où élaboration du message (base de l’axone) puis conduction le long de cet axone jusqu’à des contacts avec d’autres neurones (voir plus tard dans le cours, ex de l’action du LSD)    

qu’il synthétisent depuis l’expression de son gène spécifique (vérification expérimentale avec un système d’électrodes, une intracellulaire et l’autre extra cellulaire à l’échelle des photorécepteurs)

remarque : il existe des différences de potentiels électriques de part et d’autre de la membrane plasmique = « trains » de signaux ( = potentiels d’action= PA) après absorption des radiations lumineuses par les pigments des photorécepteurs => on a un codage en modulation de fréquence de PA (voir logiciel L’oeil et la vision, AP # 4). Le décalage des 2 enregistrements à la surface de la rétine et à la surface du nerf optique indique la propagation du message dans le nerf optique après passage par cellules bipolaires puis ganglionnaires

Les Vertébrés ont une rétine inversée (car on pensait y voir les photorécepteurs en position le plus en avant des 3 sous-couches cellulaires rétiniennes, leur 3è position depuis l’avant de l’oeil semble liée à une sélection naturelle sur la base d’une protection de l’oeil vu le maintien de transparence qu’elle soit en position 1 ou 3) : les rayons lumineux qui traversent l'œil doivent donc traverser la couche de fibres nerveuses et plusieurs couches cellulaires avant d'atteindre les photorécepteurs (l'épaisseur de la rétine est de 400 µm).

macula  = tache jaune/ nombre de cônes et de bâtonnets suivant l’angle d’excentricité par rapport à l’axe optique

au centre de l’oeil : axe optique : 1,5 mm diamètre = macula avec fovéa au centre (dépression : que des cônes)

• plus on s’éloigne de la fovéa, plus l’excentricité augmente, la densité en cônes diminue et donc l’acuité visuelle • zone X = point aveugle : départ du nerf optique (voir AP # 2)

Il existe 2 types de photorécepteurs : les cônes et les bâtonnets, que l’on distingue au MET (G > 1000) par leur segment externe contenant un grand nombre de disques contenant eux-mêmes un grand nombre des molécules, des photopigments (pigments sensibles à le lumière) : ceux qui l’ont en forme de cône ont été appelés photorécepteurs à cônes et ceux en forme de bâtonnet photorécepteurs à bâtonnets.

cônes bâtonnets

structure

segment externe : en forme de cône segment interne : à organites classiques

pigment : opsine R, V ou B => cônes R,V et B

segment externe : en forme de bâtonnet segment interne : à organites classiques

pigment : rhodopsine qui absorbe toutes les longueurs d'onde du spectre de la lumière visible et

n'interviennent pas dans la vision des couleurs

nombre 6,5 millions / oeil 100 millions / oeil

répartition surtout en zone centrale surtout en zone périphérique

fonction perception colorée pas de perception des couleurs

sensibilitéfonctionnel en éclairement plus important

(vision diurne) : sensibilité bien plus faible => seuil de stimulation élevé

fonctionnel en faible éclairement (vision crépusculaire) : très élevée ( x 1000 celle des cônes)

=> seuil de stimulation faible

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III / un fonctionnement rétinien conditions d’éclairement dépendant

en fonction de l’intensité lumineuse de l’environnement, les seuils de sensibilités des photorécepteurs à cône et bâtonnets est différentes : les premiers s’activent avec 1000 fois moins de

lumières que les cônes rouge et verts et 10000 fois moins que les bleus

Ceci est lié à la propriété des opsines : rhodopsines des bâtonnets et opines des cônes

• vision centrale liée très majoritairement aux cônes : perception colorée forte, peu de perception de l’intensité lumineuse

• vision périphérique liée aux bâtonnets principalement : perception colorée faible, perception de l’intensité lumineuse plus importante

A/ les rhodopsines des bâtonnets s’activent à faible luminosité

Chaque disque de segment externe contient des milliers de pigments identiques rétiniens formés chacun de l’association de 2 molécules : une opsine (protéine opsine rouge, pour les photorécepteurs à cône rouge, verte pour ceux à cône vert et bleue pour ceux à cône bleus ou rhodopsine pour les photorécepteurs à bâtonnet ) et le rétinal non protéique synthétisé à partir de la vitamine A. La vitamine A produite à partir de la bêta-carotène de plusieurs de nos aliments (dont évidemment la carotte) est nécessaire pour la synthèse du rétinène situé au centre de la molécule de rhodopsine. Une déficience sévère en vitamine A amène une altération de la vision en basse luminosité due à la faible quantité de rétinène produit. Durant la journée cependant, la quantité de lumière est généralement suffisante pour permettre une vision relativement normale malgré le bas niveau de pigments visuels. Les photorécepteurs de la rétine des Vertébrés, à bâtonnets et à cônes, se distinguent par de nombreuses caractéristiques, tant anatomiques que fonctionnelles. La principale étant le rôle opposé que jouent les deux types de photorécepteurs : bâtonnets très sensibles dans les basses intensités lumineuses mais ne distinguant pas les couleurs (vision scotopique); et cônes nécessitant de fortes lumières mais permettant une vision précise et en couleur du monde qui nous entoure (vision photopique).C’est l’absorption de l’énergie lumineuse par les photopigments fichés dans les disques du segment externe qui initie la réponse nerveuse. Dans le cas des bâtonnets, ce pigment photosensible s’appelle la rhodopsine et a son pic de sensibilité autour de 500 nanomètres (nm) dans le spectre électromagnétique de la lumière visible.

Le stimulation par des photons sur les 3 populations cellulaires ne permet l’enregistrement d’une différence de potentiel avec 2 microélectrodes (une intracellulaire, une extracellulaire) que pour les photorécepteurs.

Les bâtonnets peuvent être sensibles au point de pouvoir détecter un seul photon (l’unité minimum de lumière). Ils nous permettent également de détecter une source

schéma de l’ultrastructure

cônes bâtonnets

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lumineuse qui est plus d’un milliard de fois plus faible que ce que l’on voit dehors par une journée ensoleillée.La morphologie d’un bâtonnet et sa forte concentration en pigment visuel sensible à la lumière (il y a environ 100 millions dans un seul bâtonnet !) lui permet cette sensibilité extrême à la lumière. Mais le type de connexions qu’il entretient avec les autres cellules de la rétine y contribue aussi. En contrepartie, cette sensibilité se paie au prix d’une image imprécise et sans couleur. La porte d’entrée du système visuel est bien entendu l’œil à l’arrière duquel se trouve la rétine. Celle-ci est constituée de cellules spécialisées, les cônes et les bâtonnets, capables de convertir l’énergie lumineuse en activité nerveuse. Cette conversion se fait grâce à des pigments sensibles à la lumière situés sur les disques du segment externe des cônes et des bâtonnets. Quand la lumière frappe le pigment, celui-ci change de forme, ce qui provoque une cascade de réactions chimiques dans le photorécepteur. Ces réactions vont rendre la membrane des photorécepteurs moins perméable à certains ions comme le sodium. Et c’est ce changement de perméabilité qui va modifier le potentiel de membrane du photorécepteur et permettre l'émission d'un signal nerveux aux cellules de la couche suivante dans la rétine.L’adaptation à l’obscurité se fait en deux temps qui reflètent la transition d’une vision issue des cônes (vision photopique) à une vision issue des bâtonnets (vision scotopique). Durant les 5 ou 6 premières minutes après le passage d’une pièce éclairée à une pièce sombre, le seuil de sensibilité à la lumière, à l’origine très élevé à cause du séjour dans la pièce éclairée, décroît d’abord rapidement pour ensuite sembler vouloir se stabiliser de manière asymptotique. Mais autour de la septième minute, le seuil commence à décliner de plus belle et atteint un second plancher asymptotique, beaucoup plus bas celui-là, environ une demi-heure plus tard.

B/ les opsines des photorécepteurs à cônes s’activent à plus forte luminosité

Ce seuil minimal est celui de la vision scotopique alors que le seuil initial représente celui de la vision photopique.

Les trois pigments sont donc présents dans chaque type de cône, mais en proportion très majoritaire pour la couleur dominante. Les lettres S, M ou L viennent de l’anglais « Short, Medium and Long wavelenght » qui désigne les longueurs d’onde courtes,

moyennes et longues d’absorption maximale des différentes opsines. Un objet dont la couleur se situe quelque part dans le spectre visible va donc exciter à divers degrés les 3 types de cône. Un objet vert par exemple va surtout stimuler les cônes verts, mais aussi les rouges à un moindre degré et très légèrement les bleus. Notre perception des couleurs dépend donc de cette superposition des différents spectres d’absorption des trois types de cônes. Et bien

sûr, par la suite, de la complexité des interactions neuronales dans la rétine le reste du cerveau. 

Bilan

➱ les photorécepteurs traduisent les stimuli visuels lumineux en signaux électriques (PA) à l’origine du message nerveux transporté par le nerf optique (conversion lumineuse => électrique)

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POUR ALLER PLUS LOIN : TOTAL HORS PROGRAMME : LA TRANSDUCTION SUITE A LA CAPTURE PHOTONIQUE DANS UN BATONNET

QCM : { 4 points / 15 min }

propositions justes et document de référence pour le déduire : B doc 1 / D/ doc 1 + 2 E/ doc 2

PRS TYPE 2.1: EXERCICE 1 : Les capacités de mémorisation des aveugles

1/ constat : L’IRMf montre que l’aire V1 est spécifiquement activée chez les non-voyants de naissance lors d’une tâche de mémorisation verbale => interprétation : ces patients aveugles de naissance utilisent donc l’aire visuelle primaire (V1) pour ce processus.

2./ constat : 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. => interprétation : 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 : l’aire visuelle primaire, non utilisée pour la vision chez les non-voyants de naissance, est « recyclée », reconfiguré pour des tâches de mémorisation visuelle : cette expérience met donc bien en évidence un phénomène de plasticité cérébrale indispensable à ce constat.

  PRS MINI TYPE 2.2: EXERCICE 2 : Une protéine impliquée dans la plasticité du cortex

Ce test montre que les souris transgéniques à mutation du gène de la CAMKII ont des capacités d’apprentissage bien plus faibles que les souris témoins car : - au fil des répétitions de la 1ère expérience, le temps mis par ces souris pour trouver la plateforme est en moyenne

nettement plus important (+ 21 s soit 3,6 fois environ ) - après retrait de la plateforme, elles passent beaucoup moins de temps dans la zone où se trouvait la plateforme (-

25% : 32 % contre 57 % pour les souris témoins), suggérant une plus faible mémorisation. Tout ceci suggère que cette protéine joue un rôle important dans les processus d’apprentissage.

PRS MINI TYPE 2.2: EXERCICE 3 / DE l’iMPORTANCE d’UNE RETINE FONCTIONNELLE DANS LA CAPTURE / CONVERSION LUMINEUSE : L’étude d’un trouble visueL

constat : La simulation du champ visuel (document 1) du patient montre une large amputation périphérique (vision « en tunnel »), seule la vision centrale étant préservée, ce qui explique que le patient, ne voyant pas les obstacles sur les trottoirs, se cogne en marchant dans la rue. Hypothèses envisageables : pour expliquer ces symptômes, on peut proposer : - H1 : une altération de la rétine périphérique - H2 : une lésion du nerf optique - H3 : une lésion du du cortex visuel constats : - l’observation du fond d’œil révèle une pigmentation anormale de la périphérie de la rétine, suggérant un dysfonctionnement. - une sévère baisse de la vision crépusculaire en condition de faible luminosité or à la rétine périphérique sont très

majoritairement présents des bâtonnets, très sensibles à la lumière et mis en jeu dans cette vision scotopique. C’est un argument supplémentaire de H1

L’électrorétinogramme (document 2) reflète l’activité électrique de la rétine en réponse à une stimulation lumineuse. Pour tester H1, 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 entre patient et 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 H1. Afin de produire un diagnostic complet, il est possible de vérifier l’intégrité des voies visuelles (document 3) 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.

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NB : les différences constatées entre les 2 tracés ne sont pas significatives : en clinique, on observe l’allure générale du tracé et on repère les 3 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 riche en bâtonnets à rhodopsine sensible à faible luminosité (pigmentation anormale, absence de réponse à une stimulation lumineuse en conditions scotopiques), expliquant les symptômes du patient, et d’exclure une atteinte des voies visuelles. Ce patient est atteint d’une rétinite pigmentaire. (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.

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