L’œil bionique et la rose

Merci !

Annales corrigées
Classe(s) : 1re ES - 1re L | Thème(s) : La formation des images. La couleur des objets
Type : Partie 1 | Année : 2011 | Académie : Inédit
Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet
 
L’œil bionique et la rose

Représentation visuelle

Corrigé

6

Thèmes communs

sci1_1100_00_20C

Sujet inédit

Représentation visuelle • 8 points

Document 1

Une puce électronique pour réparer la rétine

La rétinite pigmentaire et la dégénérescence maculaire liée à l’âge (DMLA) affectent les photorécepteurs et mènent à une cécité progressive. Elles sont pour le moment incurables. Les neurones bipolaires assurant le lien entre les photorécepteurs et le nerf optique sont pourtant toujours fonctionnels et le remplacement des photorécepteurs par un système de détection de la lumière pourrait alors redonner la vue à des patients. C’est ce qui a été fait par les chercheurs de l’université de Tübingen en Allemagne. Dans le cadre d’une étude clinique pilote, une puce sensible à la lumière a été implantée sous la rétine de trois patients d’une quarantaine d’années, atteints de dégénération rétinienne héréditaire depuis leur enfance et ayant perdu la capacité de lire depuis au moins 5 ans. Cet implant de 3 mm de côté comporte 1 500 microphotodiodes qui détectent la lumière et la transforment en un signal électrique proportionnel à l’intensité lumineuse (voir schémas de la page suivante). Chaque diode possède son propre amplificateur et sa propre électrode, de sorte que les groupes de neurones bipolaires sous-jacents reliés à chaque diode sont activés indépendamment les uns des autres. Le cerveau reçoit ainsi l’équivalent d’une image de 1 500 pixels (38 × 40 points). Selon les études, au moins 600 pixels sont nécessaires pour permettre la lecture, 1 000 pour identifier un visage.


Les trois patients ont été capables de reconnaître des formes et des objets et l’un d’eux a pu se déplacer seul dans une pièce, approcher une personne, reconnaître des lettres et s’en servir pour former des mots et même distinguer sept nuances de gris. La puce de ce patient a été implantée au niveau de la macula.

Document 2

Structure nerveuse de la fovéa,
câblage des neurones au niveau de la fovéa

Dans la région de la fovéa (ou macula) d’une rétine saine, la densité des cônes est très élevée : 140 000 cônes/mm2. Par ailleurs, le câblage des neurones rétiniens est tel que chaque cône possède en quelque sorte sa « ligne privée » vers le cerveau, via une fibre du nerf optique.


D’après SVT 1re L, Bordas, 2001.

Document 3

Structure nerveuse de la fovéa, mosaïque des différents types de cônes au niveau de la fovéa


Cette figure représente la répartition des cônes dans la fovéa sur une surface d’environ 1° d’angle visuel. Les cônes sensibles au bleu représentent environ 7 % du total et on estime qu’il y a environ 1,5 fois plus de cônes sensibles au rouge que de cônes sensibles au vert.

D’après www.cis.rit.edu/

>1. Dessinez le trajet des rayons lumineux provenant d’une fleur rouge (comme l’indique le schéma) qui pénètrent dans l’œil pour former une image.

>2. À partir des informations extraites des documents, mises en relation entre elles et avec vos connaissances, expliquez pourquoi cette fleur est vue rouge lorsqu’elle est éclairée par une lumière blanche.

>3. Proposez une hypothèse explicative au fait que le patient qui a reçu un implant ne peut pas voir la couleur de la fleur.

Interpréter les questions

  • Il y a plusieurs questions dans ce sujet : la première fait appel à vos connaissances d’optique, la seconde fait appel à vos connaissances sur la notion de couleur. Il s’agit de bien expliquer de quoi dépend la couleur d’un objet en termes de radiations absorbées et diffusées, donc de longueur d’onde.
  • Expliquez, en vous aidant du document 3 si nécessaire, comment la rétine permet une discrimination des différentes lumières colorées grâce à ses différents cônes.
  • On vous demande ensuite de proposer une hypothèse afin d’expliquer la non-discrimination des couleurs par l’implant. Vous devez vous appuyer sur les concepts précédents et avoir compris comment l’implant est relié aux neurones rétiniens intacts. Vous devez par ailleurs savoir que la perception du blanc et des nuances de gris correspond à une égale stimu­lation des trois types de cônes.

Comprendre les documents

Document 1

Il décrit la composition de la puce et la façon dont elle est reliée au reste de la rétine. Soulignez les informations qui vous paraissent importantes, elles vous seront utiles pour proposer une hypothèse sur la non-discrimination des couleurs par l’implant.

De plus, ce document fait apparaître la coupe d’un œil qui pourrait vous aider à vous souvenir des différentes parties de l’œil et la formation de l’image sur la rétine.

Document 2

Ce document décrit la structure de la fovéa, c’est-à-dire la zone sur laquelle se forment les images des objets que l’on fixe. Afin de l’interpréter correctement, vous devez savoir :

  • que les cônes sont les photorécepteurs qui permettent de détecter les images tout en discriminant les couleurs ;
  • que les fibres du nerf optique qui envoient les messages visuels au cerveau sont les prolongements des neurones ganglionnaires.

Document 3

Ce document vous rappelle la composition de la fovéa en cônes. C’est un support qui aide à restituer le principe de la vision des couleurs (vision trichromatique) mais qui permet également de comparer la structure des récepteurs de la puce (microphotodiodes) à celle des récepteurs (cônes) de la fovéa non malade. Essayez d’imaginer le devenir des messages électriques générés au niveau des diodes de la puce et de le comparer à celui des messages nerveux générés par les différents cônes dans une rétine normale. Cela vous aidera à proposer une hypothèse à la fin.

Organiser la réponse

>  1. Expliquez d’abord le phénomène de la formation de l’image en vous appuyant sur un schéma clair et simple. Vous pouvez représenter l’œil simplifié ou son modèle : lentille convergente, son axe et un écran représentant la rétine.

>  2. Vous devez expliquer la couleur de la rose. Vous pouvez commencer par la présentation du spectre de la lumière blanche pour aborder cette partie, pour finir par l’absorption et la diffusion des radiations. Il reste à expliquer comment l’œil distingue les radiations « rouges », des autres.

>  3. Vous pouvez répondre ainsi point par point puis terminer par l’hypothèse qui doit s’appuyer sur les éléments de vos précédentes réponses.

Corrigé

>1. Le trajet de la lumière est modélisé par des rayons lumineux. Les rayons qui pénètrent dans l’œil qui se comporte comme une lentille convergente, émergent à l’intérieur de l’œil pour converger tous sur la rétine placée dans le plan focal du cristallin.


L’image formée sur la rétine est renversée.

>2. La lumière blanche est composée d’une infinité de radiations colorées caractérisées par leur longueur d’onde (l). Son spectre est composé des sept couleurs de l’arc-en-ciel. C’est une lumière polychromatique.

Lorsque la fleur est éclairée par la lumière blanche, elle absorbe dans celle-ci toutes les radiations colorées sauf les rouges qu’elle renvoie dans tous les sens : elle diffuse les radiations rouges de longueurs d’ondes : comprises entre 600 et 800 nm. C’est pour cette raison qu’elle apparaît rouge. Sa tige, apparaît verte car les radiations autres que celles correspondant à cette couleur sont absorbées par cette partie et seul les radiations vertes (500 nm < l < 550 nm sont diffusées).

La couleur d’un objet s’explique par une synthèse soustractive qui s’opère au niveau des pigments qui le constituent et par une synthèse additive au niveau des radiations diffusées par cet objet.

La rétine possède trois types de cônes, qui sont les photorécepteurs actifs en condition de forte luminosité. Les trois types de cônes ont un spectre d’absorption assez étendu des radiations de la lumière visible, mais chacun possède un maximum d’absorption pour une longueur d’onde (document 3). Ainsi un premier type de cônes est majoritairement sensible aux radiations de grandes longueurs d’ondes, « rouges » (entre 600 nm et 700 nm), un second type de cônes est majoritairement sensible aux moyennes longueurs d’onde « vertes » (500 - 600 nm) et le dernier type est plus sensible aux faibles longueurs d’onde « bleues » (400 - 500 nm). La couleur perçue par le cerveau résulte de la combinaison (en intensité et en quantité) des trois types de messages émis lorsque les cônes sont stimulés par les points lumineux d’une image. Ainsi, la rose ne diffuse que des radiations de longueurs d’ondes élevées, le type de cônes sensible aux radiations de grandes longueurs d’ondes est pratiquement le seul stimulé, un seul type de message parvient au cerveau qui l’interprète comme étant du rouge.

>3. Les diodes remplacent les photorécepteurs car elles transforment la lumière en un signal d’autant plus intense que l’intensité de la lumière reçue est forte. Ce signal stimule les neurones bipolaires situés sous chaque diode.

Dans une rétine saine, au niveau de la fovéa, un cône stimule un seul neurone bipolaire, qui lui-même stimule un seul neurone ganglionnaire. Un cône est donc à l’origine de messages sur une seule fibre du nerf optique ­(document 2). Pour chaque type de cône, sensible au bleu, au vert ou au rouge, il existe donc des neurones bipolaires correspondants, donc des fibres du nerf optique correspondantes.

Seuls les cônes sensibles au rouge émettent des messages lorsqu’ils reçoivent l’image d’une rose rouge. Mais dans une fovéa ayant perdu ses cônes, les diodes ne peuvent remplacer les dizaines de milliers de cônes qui ont disparu et dont la densité est en temps normal particulièrement élevée au niveau de la fovéa. En effet, la puce ne contient « que » 1 500 photodiodes (document 1). D’une part, on suppose que toutes les diodes sont identiques, donc qu’elles sont sensibles de la même manière aux différentes longueurs d’onde ; d’autre part, on peut supposer que chacune active un groupe de neurones bipolaires mélangés, donc que le message qui parvient au cerveau ne traduit pas la nature des longueurs d’ondes, ce qui engendre une vision en nuances de gris.

En revanche, les messages émis grâce à la puce traduisent les différences d’intensité lumineuse de chaque pixel (sensibilité aux contrastes). Cette puce est une avancée énorme pour les personnes devenues aveugles par rétinite ou dégénérescence maculaire.