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Les pigments et la vision des couleurs

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Introduction :

La lumière passe par les deux lentilles de l’œil, que sont la cornée et le cristallin, avant d’être réfractée sur la rétine en arrière de l’œil. Cette information lumineuse va être transmise au cerveau qui va la traiter et la transformer en image.

Ce cours va traiter de la transformation de cette énergie lumineuse en image. Une première partie permettra de s’intéresser aux photorécepteurs : leur localisation, leur répartition et leur fonctionnement. Une deuxième partie montrera qu’il existe des anomalies des pigments rétiniens. Enfin, la dernière partie de ce cours traitera de la vision dans le grand groupe des Primates, ainsi que de la place de l’Homme dans ce groupe.

Les photorécepteurs

Localisation

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Définition

Rétine :

La rétine est une membrane qui tapisse le fond de l’œil. Elle reçoit la lumière et produit un message nerveux.

La rétine est composée d’un grand nombre de récepteurs sensoriels appelés les photorécepteurs. Si l’on observe une coupe de la rétine d’avant en arrière on trouve :

  • des fibres nerveuses qui vont participer à la formation du nerf optique ;
  • des neurones ganglionnaires ou neurones multipolaires.
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Définition

Neurones ganglionnaires :

Les neurones ganglionnaires ou multipolaires sont les cellules dont les fibres nerveuses forment le nerf optique. Elles permettent au message de quitter la rétine et d’aller au cerveau.

  • Les neurones bipolaires permettent de relier les photorécepteurs aux neurones ganglionnaires.
  • Enfin, les photorécepteurs sont des cellules nerveuses dans les cellules pigmentaires. Les photorécepteurs sont les cellules sensibles à la lumière. On retrouve deux types de cellules différentes : les bâtonnets et les cônes.

Composition de la rétine Composition de la rétine

Répartition des photorécepteurs

La fovéa représente le centre de la rétine. L’excentricité rétinienne correspond à l’éloignement d’un point donné par rapport au centre de la rétine. Elle est exprimée en degrés.
Le graphisme ci-dessous exprime la densité de photorécepteurs rétiniens en fonction de l’excentricité. On peut remarquer que les cônes et les bâtonnets ne sont pas également répartis.

Densité de photorécepteurs rétiniens en fonction de l’excentricité Densité de photorécepteurs rétiniens en fonction de l’excentricité

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À retenir

Au niveau de la fovéa, on trouve uniquement des cônes. Inversement, plus on s’éloigne de la fovéa, moins les cônes sont nombreux, jusqu’à disparaître sur la périphérie de la rétine. Les bâtonnets sont absents de la fovéa et nombreux à la périphérie.

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À retenir

Une seule partie de la rétine est dépourvue de photorécepteurs, c’est le point aveugle. Ce point correspond au point de convergence de tous les axones des neurones ganglionnaires et donc au départ du nerf optique.

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Astuce

Un axone (aussi appelé fibre nerveuse), est le prolongement du neurone sur lequel l’information s’éloigne du corps cellulaire.

Le fonctionnement des photorécepteurs

Les photorécepteurs sont en quantité inégale dans la rétine. En effet, il y a environ 95 % de bâtonnets contre environ 5 % de cônes. On peut alors se demander ce qui différencie ces deux types de cellules, mais également quels sont leurs rôles respectifs.

Le schéma ci-dessous permet de comprendre le fonctionnement des bâtonnets et des cônes. Il représente la contribution des photorécepteurs à la vision en fonction de différents éclairages. On prend en exemple l’énergie lumineuse renvoyée par une feuille de papier blanc.

Fonctionnement des bâtonnets et des cônes Fonctionnement des bâtonnets et des cônes

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Définition

Seuil de réponse :

Le seuil de réponse est la plus petite intensité lumineuse capable de déclencher une activité visuelle pour une longueur d’onde donnée.

Le seuil de réponse des bâtonnets est atteint malgré une très faible luminosité. Dans ce cas, seuls les bâtonnets permettent une vision qui est faible, et en noir et blanc. À la lumière des étoiles, le seuil de réponse des cônes est atteint. La vision se fait alors avec les cônes et les bâtonnets. Ensuite, les bâtonnets commencent à être saturés avec l’éclairage intérieur. La vision se fait alors avec les cônes : les couleurs sont bien déterminées et l’acuité visuelle est optimale. Attention à une trop forte lumière du soleil peut léser la rétine.

  • Les bâtonnets et les cônes ont donc des rôles différents.
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À retenir

Les cônes jouent un rôle important dans la perception de la couleur.

Il existe trois types de cônes différents qui contiennent chacun un pigment spécifique en fonction de leur sensibilité à la lumière. Certains cônes sont plus sensibles à la lumière bleue, ils contiennent le pigment appelé opsine S ; d’autres sont plus sensibles à la lumière verte grâce au pigment opsine M ; et certains sont plus sensibles à la lumière rouge avec le pigment opsine L. Ce sont des pigments rétiniens qui absorbent certaines longueurs d’ondes de la lumière.

On dit que la vision est trichromate car chaque couleur du spectre lumineux est perçue grâce à l’activité des trois types de cônes. En fonction de la lumière perçue, chaque type de cône va être plus ou moins stimulé. Ainsi, la couleur blanche résulte de la stimulation égale des trois types de cônes.

Les bâtonnets quant à eux n’entrent pas en jeu dans la vision des couleurs, mais ils sont par contre très sensibles à la luminosité. Ce sont eux qui permettent une vision crépusculaire. Ils renferment un seul type de pigment appelé rhodopsine.

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Définition

Photorécepteur :

Un photorécepteur est une cellule nerveuse et est de ce fait composée d’un corps cellulaire, d’un axone et de synapses.

On peut aussi le diviser en deux segments : un segment interne et un segment externe. C’est le segment externe qui est riche en pigments photosensibles.

Composition d’un photorécepteur Composition d’un photorécepteur

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À retenir

Lorsque les photorécepteurs sont stimulés par la lumière, ils envoient un message nerveux au cerveau par l’intermédiaire du nerf optique.

L’information passe alors par les neurones bipolaires, puis par les neurones ganglionnaires avant d’arriver au nerf optique.

Des anomalies des pigments rétiniens : le daltonisme

Certaines maladies affectent la perception des couleurs, c’est le cas du daltonisme. Le tableau ci-dessous illustre les différents types de daltonisme.

Les différents types de daltonisme Les différents types de daltonisme

Lors d’une vision normale, les cônes L, M et S sont fonctionnels. La vision de l’individu est trichromate, ce qui correspond à une vision normale. Le daltonisme est caractérisé par une vision dichromate, c’est-à-dire que seuls deux types de cônes sont fonctionnels. Ainsi on peut faire plusieurs distinctions :

  • Dans le cas de protanopie, l’individu ne voit pas les rouges et ne distingue pas les violets des bleus. Seuls les cônes M et S, c’est-à-dire sensibles au vert et au bleu sont fonctionnels ;
  • Dans le cas de deutéranopie, l’individu ne voit pas les verts et ne distingue pas les jaunes des rouges. Seuls les cônes L et S, c’est-à-dire sensibles au rouge et au bleu sont fonctionnels ;
  • Dans le cas de tritanopie, l’individu ne distingue pas les verts des bleus et des violets. Seuls les cônes L et M, c’est-à-dire sensibles au rouge et au vert sont fonctionnels.

Bien qu’ils ne perçoivent pas certaines teintes, les daltoniens les différencient nettement car la clarté et la saturation fonctionnent normalement.

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Astuce

C’est l’ ADN contenu dans le noyau des cellules qui code pour les protéines.

Les gènes qui codent pour les différentes opsines occupent une place différente sur l’ADN. Toutes les cellules de photorécepteurs contiennent les quatre gènes mais seul un gène s’exprime en fonction du type de cellule. De ce fait, dans un bâtonnet, seul le gène qui code pour la rhodopsine s’exprime.

  • Ainsi, le daltonisme est une maladie héréditaire, caractérisée par un des gènes qui code pour les protéines pigmentaires, qui n’est pas exprimé.

La vision des couleurs chez les primates

L’Homme est un primate. On a pu alors se demander si sa vision est la même que chez les autres primates. Une comparaison de la séquence des gènes a montré que les primates n’ont pas tous la même vision.

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À retenir

En effet, les primates dits du Nouveau monde, c’est-à-dire provenant d’Amérique, ont une vision dichromate. Ils ne possèdent que deux gènes qui codent pour les opsines S, M ou L. Les primates d’Afrique et d’Asie, autrement dit de l’Ancien monde, ont la même vision trichromate que les humains.

Le lien de parenté entre différentes espèces est d’autant plus fort qu’il y a de similitudes entre les séquences d’acides aminés qui codent pour les protéines. Un arbre phylogénétique a été obtenu par comparaison des opsines S.

Il en résulte que les primates du Nouveau monde sont plus proches parents entre eux qu’avec les primates de l’Ancien monde, l’Homme faisant partie des primates de l’Ancien monde. L’étude des pigments rétiniens confirme la place de l’Homme dans le grand groupe des primates.

Arbre phylogénétique des primates du Nouveau et de l’Ancien monde Arbre phylogénétique des primates du Nouveau et de l’Ancien monde

Le fait que les gènes codant pour les opsines M et L soient très similaires sous-entend qu’ils découlent d’une duplication du gène ancestral. En effet, on peut voir sur le schéma ci-dessous qu’après mutation du gène ancestral, il y a eu duplication de ce gène. Après mutation, ce gène a donné deux gènes distincts codant pour les opsines M et L. Chez les primates du Nouveau monde, le gène ancestral a muté mais sans se répliquer, ce qui est à l’origine d’une vision dichromate.

Duplication du gène ancestral Duplication du gène ancestral

Conclusion :

La rétine est un tissu nerveux composé des différentes cellules nerveuses que sont les neurones ganglionnaires, les neurones bipolaires et les photorécepteurs. Il existe deux types de photorécepteurs : les cônes qui permettent de percevoir les couleurs grâce à trois protéines que sont les opsines L, M et S et les bâtonnets qui permettent de percevoir l’intensité lumineuse grâce à un pigment appelé la rhodopsine. L’étude de la séquence des pigments rétiniens confirme la place de l’Homme dans le groupe des grands primates.