De l'oeil au cerveau

Objectif : Relier des caractéristiques de notre perception visuelle à des caractéristiques de notre système visuel.

Résumé : Les élèves commencent par recontruier le parcours du stimulus lumineux vers le cerveau : l’œil et sa structure, les récepteurs sensoriels, les aires visuelles.

Matériel : Fiche Blind spot

Notions mobilisées : SVT : Vision, Intégration d’informations multiples.

Compétences mobilisées : Proposer une hypothèse et la tester. Réaliser une démarche d’investigation.

Production : Compte-rendu rédigé et crétion de supports pour de nouvelles expériences.

Durée : Une heure environ

Message à emporter : Nos yeux ne sont pas des instruments de mesure infaillibles. La perception visuelle subit de nombreuses influences qui l’éloignent de la réalité physique. 

Clés pour la mise en œuvre

Cette séquence n’entre pas dans les détails du processus de traitement et d’interprétation du stimulus lumineux de la part du cerveau, mais permet aux élèves de se faire une image du parcours global d’un stimulus visuel et de se rendre compte de l’importance de chaque étape (stimulus lumineux, physiologie de l’œil et de la rétine, transmission du signal nerveux à l’intérieur du cerveau jusqu’aux aires visuelles) pour la vision.  

La séquence peut être réalisée en prolongement de la Séquence On en voit de toutes les couleurs.

La Séquence On en voit de toutes les couleurs permet de découvrir certaines illusions propres à la perception de la couleur et de la luminosité des objets. Les élèves prennent ainsi conscience du fait que le système visuel ne se limite pas à enregistrer des signaux lumineux, ni à le faire de manière "fidèle" à la réalité. En fait, le processus de vision est aussi un processus "d'interprétation" du signal. Dans ce processus le cerveau joue un rôle central: chaque information donne lieu à un traitement spécifique et à des inférences. Cependant, l'influence de notre système visuel sur ce qui est perçu commence avant cette étape, au niveau même de l'oeil et de sa structure.  

Le « parcours de la vision des couleurs » commence par le stimulus lumineux (voir la Séquence On en voit de toutes les couleurs). Le stimulus atteint la rétine où se trouvent les supports cellulaires de la photosensibilité : les cellules rétiniennes, dont les cônes, spécialisés dans la vision diurne et de précision. Il existe 3 types différents de cônes, chacun n’absorbe que certaines longueurs d’onde du stimulus lumineux. Nous percevons un objet comme ayant une certaine couleur en vertu de l’activation sélective et intégrée de ces cellules. Mais le parcours de la vision des couleurs (de la vision en général) ne s’arrête pas là. Le cerveau intègre les informations visuelles et le produit final de la perception de la couleur dépend aussi bien du stimulus physique, de la physiologie de l’œil et des processus qui se déroulent au niveau cérébral.

Déroulé possible de l’activité

Contexte : L’enseignant donne à chaque élève un exemplaire de la Fiche Blind spot. La fiche contient le support pour le test et des instructions pour le mener individuellement. 

Objectif : On cherche à comprendre comment un objet peut disparaitre de notre perception tout en se trouvant devant nos yeux. 

Organisation : Par groupes de deux.

Règles : C’est une mission. L’objectif est de décrypter ce phénomène, en réfléchissant à comment il se produit (dans quelles conditions) et en cherchant à le reproduire.  

La fiche comporte trois versions du même phénomène. Les petites variations d'une version à l'autre aident à réfléchir sur ce que les trois situations ont en commun. l'enseignant commence par proposer la permière version. 

Instructions :

• Maintenir le carton avec le bras tendu devant les yeux, avec la croix à droite.
• Fermer l’œil droit et regarder la croix en y pointant l’œil gauche. Remarquer qu’on voit aussi le point qui se trouve à gauche. Maintenant approcher le carton du visage, lentement.
• On remarquera que quand le carton se trouve à une certaine distance des yeux le point à gauche « disparaît » pour réapparaitre quand le carton s’approche encore plus du visage.
• Ajuster et trouver la distance à laquelle le point n’est pas visible.
• Refaire le même exercice avec l’autre œil : cette fois il s’agit de faire disparaître la croix. 

Après avoir fait l’expérience dans sa première version, l’enseignant demande de commenter : pourquoi le point (ou la croix) disparaît du champ visuel ? On parle typiquement de « tâche aveugle » pour décrire ce phénomène. Cependant, ce n’est pas exactement comme si on ne voyait rien dans l’espace de la tâche aveugle…L’enseignant invite donc les élèves à procéder avec la deuxième et puis à la troisième version du test.

Correction et validation

> Grâce aux différents observations menées, on remarque que le trou est en réalité rempli – perceptivement – par de l’information : celle qui entoure le trou dans l’image. Mais ce remplissage ne se fait pas toujours de la même manière : il dépend du contexte global de l’image et pas que des stimuli les plus proches.

> Si la première version de l’expérience montre que nous ne percevons pas une partie de l’espace visuel devant nous, les versions 2 et 3 devraient permettre aux élèves de se rendre compte que la perception est plus complexe que voir/ ne pas voir. Il se passe quelque chose là où on ne voit pas le point, l’interruption ou autre qui n’est pas juste de l’ordre de « ne rien percevoir ».

> Notre système perceptif complète l’information manquante avec ce qu’il a à disposition, notamment le contour et le contexte de l’information manquante. Cette considération sera développée dans la suite de l’activité, en relation ave la perception des couleurs. Les élèves vont se rendre compte que le cerveau intègre et complète les stimuli lumineux qui sont captés et traités par la rétine en accord avec son anatomie et physiologie. Cependant, l’enseignant pourra d’ores-et-déjà suggérer l’implication d’un organe autre que la rétine dans la perception visuelle.

> Pour terminer, et valider leur compréhension du phénomène, les élèves proposent de nouveaux dispositifs  - en s’inspirant des dispositifs qu’ils ont utilisés, mais en faisant preuve de créativité.

> Ils pourront par exemple tester ce qui se passe si on utilise des images de visages ou d’autres objets avec une partie manquante, des pavages, des dessins plus ou moins réguliers, etc. L'enseignant peut présetner cette validation comme un nouveau défi:

Défi : Proposez un nouveau dispositif permettant d’étudier le phénomène de la tâche aveugle en relation avec des stimuli complexes !

Les élèves peuvent préparer et tester leur dispositif à la maison, puis le présenter en classe, utiliser des images imprimées ou dessiner. 

Objectif : Relier des caractéristiques de notre perception visuelle à des caractéristiques de notre système visuel.

Résumé : Les élèves vont reconstruire le parcours du stimulus lumineux vers le cerveau en commençant par l’œil et sa structure. 

Matériel : Oeil de boeuf, modèle 3D ou Fiche oeil; Document fourni : Fiche Mesurer la tâche aveugle.

Notions mobilisées : SVT : Vision, oeil

Compétences mobilisées : Observer

Production : Maquette

Durée : 2 heures environ.

Message à emporter : Toute observation est influencée par les caractéristiques de l’instrument avec laquelle elle est faite (y compris une simple observation par l’œil). Interpréter correctement une observation nécessite de prendre en considération les caractéristiques de l’instrument avec lequel on la réalise et la manière dont celui-ci influence la perception. La structure de l'instrument - dans ce cas l'oeil - détermine aussi ses caractéristiques fonctionnelles.      

Déroulé possible de l’activité

Phase 1

Après avoir remobilisé les résultats de l’expérience de la tâche dite "aveugle"  (une région de l’espace visuel qu’on n’arrive pas à percevoir proprement), l’enseignant propose d’observer un œil afin de rechercher, dans sa structure, une explication possible du phénomène observé.

• On procède donc à la dissection d’un œil de bœuf et à l’observation attentive d’un modèle 3D ou document analogue (voir aussi : Logiciel Œil Pérez). Le modèle 3D/fiche est utile pour que l’enseignant puisse nommer pour les élèves les parties principales de l’œil.
• A titre d’exemple, pour guider la dissection, voir la vidéo produite par l’Exploratorium de San Francisco.
• L’enseignant fait remarquer le disque optique et le nerf optique qui interrompt la rétine. Il guide les élèves pour qu’ils mettent en relation cette particularité anatomique de l’œil avec la tâche aveugle dont ils ont fait l’expérience (elle aussi circulaire, située dans une partie centrale du champ visuel). Il peut demander par exemple où ils ont placé, dans les dispositifs qu’ils ont produit, l’image à faire disparaître : à hauteur des yeux ? Plus en haut ? Plus en bas du dispositif ? Il les guide ainsi vers la conclusion que le traitement du stimulus lumineux dépend de la rétine. 

• Suite à ces observations (et notamment si la classe ne possède pas un modèle 3D de l’œil), l’enseignant peut demander aux élèves de construire une maquette avec du matériel disponible. 

​Phase 2

Pour rendre le constat de la relation entre rétine et tâche aveugle encore plus clair, les élèves mesurent la dimension de la tâche aveugle et calculent la dimension correspondante de la zone aveugle sur la rétine. Ils compareront ensuite cette dernière avec une mesure du disque optique. 

Les élèves se mettent en groupes de trois et chaque groupe reçoit une Fiche Mesurer la tâche aveugle qui contient les instrucitons suivantes :

1. Sur une feuille de papier on marque  + sur le côté droit. C’est l’appareil de test. 2. On colle l’appareil de test au mur avec la croix à la hauteur des yeux et l’un des élèves (élève 1) se place à 50 cm. 3. L’autre élève (élève 2) positionne un crayon avec une gomme sur la pointe à gauche de l’appareil de test. 4. L’élève 1 ferme l’œil droit et regarde le + avec l’œil gauche. 5. L’élève 2 déplace lentement le crayon vers la droite. 6. Lorsque la gomme du crayon commence à disparaitre, l’élève 3 marque cette position sur l’appareil. Appeler ce point "A." 7. L’élève 2 continue à déplacer la gomme vers la droite jusqu'à ce qu'elle réapparaisse dans le champ de vision de l’élève 1. L’élève 3 marque cet emplacement sur l’appareil. Appeler ce point "B." 8. Répéter les mesures jusqu'à ce qu’on soit confiant sur leur exactitude. 9. Mesurer la distance entre les endroits où la gomme a disparu et réapparu (Distance AB). 10. Pour calculer la largeur de votre tâche aveugle sur votre rétine, nous allons faire les suppositions suivantes :    1) l'arrière de l'œil est plat; 2) la distance entre la lentille de l'œil à la rétine est de 17 mm. Nous allons ignorer la distance entre la cornée et le cristallin.

Avec la géométrie des triangles semblables, nous pouvons calculer la taille de la tache aveugle, car le triangle ABC* est semblable au triangle CDE**. Nous connaissons la distance AB = distance entre le point où le crayon disparaît et réapparait à la vue parce que nous venons de le mesurer. Nous connaissons BC = distance entre l’appareil de test et l’œil, parce que nous avons établi cette distance à 500 mm. Nous avons établi que CD = distance entre la rétine et le cristallin mesure 17 mm. Nous devons donc trouver DE = la largeur de la tâche aveugle sur la rétine. Ex. Imaginons que AB soit 50 mm Dans ce cas : 17 : 500 = DE : 50 DE = 17X50/500= 1,7 mm

Quand tous les élèves ont mesuré la dimension de la tâche aveugle, on compare les résultats. On en fait une moyenne et on compare ce chiffre avec la mesure du disque optique de l’œil humain (en moyenne 1,76mm). Si certains des résultats obtenus par les élèves sont particulièrement éloignés par rapport au reste de la classe, l’enseignant peut demander aux groupes concernés de répéter la mesure et de chercher à comprendre s’il y a eu un problème dans la réalisation de l’expérience ou de la mesure.

Eventuellement on peut décider de comparer les résultats obtenus par chaque groupe avec la mesure du disque optique avant de procéder au calcul de la moyenne.

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Note : Dans cette activité, nous ne parlons pas des différentes structures de l’œil qui permettent au stimulus lumineux de pénétrer et d’être focalisé sur la rétine, ni des erreurs de réfraction qui produisent la plupart des troubles de la vision. 

Cette activité est inspirée de : Neuroscience for kids (Dr. Eric Chudler) : Measuring your blind spot.

Phase 3

Pour mieux « visualiser » la rétine dans notre œil, l’enseignant pourra proposer une autre petite expérience.

> L’expérience se déroule au noir (penser à faire le noir complet dans la pièce). L’élève tient droit devant soit une feuille en carton noire, très proche des yeux (il ne doit voir que ça) et en même temps il garde une lampe stylo à faible lumière immédiatement au dessous de la pupille (1cm).

> On fait bouger légèrement la lampe stylo de droite à gauche (0,5 cm) et on remarque l’apparition d’un réseau de vaisseaux dans le champ visuel : ce sont les artères et les veines qui irriguent la rétine. 

> On remarquera d’ailleurs que ces veines et artères émergent d’un point précis de la rétine et correspondent au point aveugle noté dans l’expérience de Mariotte. Il s’agit en effet du nerf optique.

> On reprend le modèle 3D ou la fiche anatomique de l’œil pour remarquer que les vaisseaux courent devant la rétine. Ce qui signifie que la lumière traverse ces vaisseaux et projette une ombre sur la rétine.  C’est cette ombre que nous voyons, notamment quand nous la faisons bouger en déplaçant la petite lampe.

L’enseignant pourra demander aux élèves pourquoi on ne voit pas ce réseau de vaisseaux dans la vie de tous les jours. L’explication est juste que nous l’ignorons parce que cette image est constante et donc nous ne la prenons pas en compte quand d’autres images frappent la rétine.

Objectif : Relier des caractéristiques de notre perception visuelle à des caractéristiques de notre système visuel.

Résumé : Les élèves vont reconstruire le parcours du stimulus lumineux vers le cerveau : les récepteurs sensoriels, les aires visuelles. Il s’agit donc d’identifier le support de la photosensibilité sur la rétine. 

Matériel : Fiche De la rétine au cerveau

Notions mobilisées : SVT : Vision, Intégration d’informations multiples.

Compétences mobilisées : Analyser un document

Production : 

Durée : 1 heure.

Message à emporter :  Toute observation est influencée par les caractéristiques de l’instrument avec laquelle elle est faite (y compris une simple observation par l’œil). Interpréter correctement une observation nécessite de prendre en considération les caractéristiques de l’instrument avec lequel on la réalise et la manière dont celui-ci influence la perception. La structure microscopique de l'oeil - les cellules de la rétine qui constituent le tissu nerveux permettant la vision  - détermine aussi ses caractéristiques fonctionnelles.  

Clés pour la mise en œuvre

Les Séquences 1 à 4 du Bloc Observer ont permis d’illustrer le fait que notre manière d’observer influençait notre perception du monde. N’importe quel instrument d’observation, y compris le système visuel, laisse une empreinte et nous devons en avoir conscience pour passer des observations aux interprétations. Mais alors, comment dépasser les limites des instruments d’observation ? Comment réaliser une observation satisfaisante si tous les instruments ont leurs limites ? Il est déjà important de choisir l’instrument adapté !

L’activité est introduite par une nouvelle illusion : la photographie d’une robe diffusée sur les réseaux sociaux il y a quelques années. Celle-ci est soit perçue bleue et noire, soit blanche et bleue, soit bleue ciel et bronze. Trancher nécessite d’avoir recours à un autre instrument, plus fiable dans cette situation.

Déroulé possible de l’activité

L’enseignant consigne ou explique la Fiche De la rétine au cerveau aux élèves, comportant des schémas :

• cellules qui tapissent la rétine avec les prolongements (axones) des cellules nerveuses qui se réunissent dans le nerf optique,
• structure d’un cône,
• trois types de cônes responsables de la vision des couleurs (et de la vision diurne et de précision)
• parcours du stimulus visuel de la rétine au cerveau.

Il remobilise les connaissances des élèves concernant les cellules et les techniques pour les visualiser et leur demande d’identifier sur ces images les supports de la photosensibilité – de la sensibilité à la lumière – et de répondre aux questions posées sur la fiche. En classe ou à la maison, les élèves identifient sur la fiche :

• la présence de cellules de différente forme et donc nature, concentrées sur la rétine.
•  le nerf optique ; ils constatent que les cellules de la rétine sont absentes dans le disque du nerf optique ; cependant leurs prolongements continuent dans le nerf optique
• un type de cellule de la rétine : les cônes.
• Ils notent enfin qu’il existe 3 types de cônes chacun associé avec une couleur : rouge, vert, bleu. 

Objectif : Relier des caractéristiques de notre perception visuelle à des caractéristiques de notre système visuel.

• Résumé : Les élèves vont reconstruire le parcours du stimulus lumineux vers le cerveau : les récepteurs sensoriels, les aires visuelles.
• Matériel : Fiche Dossiers des patients
• Notions mobilisées : SVT : Vision, Intégration d’informations multiples.
• Compétences mobilisées : Analyser un document
• Production : 
• Durée : 1 heure.

Message à emporter :  Toute observation est influencée par les caractéristiques de l’instrument avec laquelle elle est faite (y compris une simple observation par l’œil). Dans le cas de la perception visuelle (de la perception en général), l'instrument ne s'arrête pas à l'organe externe (l'oeil) mais comrpend tout le système visuel, donc aussi les régions du cerveau députées à cette tache.

Clés pour la mise en œuvre

L’activité permet à la fois de remobiliser les connaissances acquises dans le cadre de la séquence et d’affirmer le rôle du cerveau dans la perception des couleurs.

Déroulé possible de l’activité

• L’enseignant propose un défi aux élèves. Il s’agit d’identifier la cause principale de deux pathologies de la perception  des couleurs. (Par cause on entend ici l’organe déficient.)
• Les élèves discutent les deux cas avec l’enseignant.

Défi: En utilisant vos connaissances et le Dossier des patients A et B, déterminez l’organe déficient pour chacune des maladies (Patient A, Patient B) et argumentez votre choix !

Correction et validation

• Le patient A souffre d’un trouble de la vision connu comme Daltonisme (d’après le nom de John Dalton qui le découvrit dans les années 1870). Il existe plusieurs types de daltonisme, le plus commun étant celui rouge-vert qui intéresse 4-5% du sexe masculin. Le Daltonisme est une condition congénitale, la cécité congénitale à toutes les couleurs est extrêmement rare.

• Le trouble manifesté par le patient B est une achromatopsie, donc une cécité complète aux couleurs, acquise. On l’appelle achromatopsie cérébrale, car elle est produite par des lésions qui intéressent certaines régions des aires visuelles. Ceci permet d’ailleurs de faire l’hypothèse que ces régions sont impliquées, en conditions normales, dans la vision des couleurs.

• L’enseignant pourra souligner que les troubles d’origine périphérique et ceux d’origine cérébrale nous permettent de mieux comprendre comment nous construisons notre univers perceptif et grâce à quels processus et structures nous percevons le monde autour de nous (et nous-mêmes). Ainsi, une pathologie comme l’achromatopsie cérébrale permet de relier des lésions très localisées et spécifiques du tissu cérébral à la perte sélective de capacités spécifiques.

Note : A propos de l’achromatopsie cérébrale, l’enseignant pourra voir le texte que lui a dédié Oliver Sachs, en décrivant le cas d’un peintre devenu aveugle aux couleurs suite à un traumatisme crânien : https://people.rit.edu/wlrgsh/Sacks.pdf

“This is the scientific interest of all such acquired, perceptual, cerebral disorders, that in their breakdowns they can show us how our perceptual world is made up. Patients such as Mr. I. show us that color is not a given but is only perceived through the grace of an extraordinarily complex and specific cerebral process. The same is true for the perception of motion, depth, and form: all of these we take for granted, until we see patients who have lost them, patients who have motion blindness, depth blindness, or form blindness (visual agnosia) on the basis of highly specific cerebral lesions.” (Sachs, O. & Robert Wasserman: The case of the colorblind painter, The New York Review of Books).