Lumière et applications

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L’œil humain 14 Principe de la chambre noire. © Daniel Hennequin. La plupart des rayons lumineux sont arrêtés par la cloison La lumière joue un rôle évident dans la perception du monde. La perfection de notre système visuel tient dans sa capacité à voir tant au clair de lune qu’au soleil du désert. Lorsque ce sens majeur vient à disparaître dans différentes pathologies rétiniennes, de nouvelles technologies peuvent compenser en partie la perte visuelle, voire redonner une vision « utile » à des patients aveugles. La lumière joue également un rôle majeur dans des fonctions non visuelles, comme le contrôle de l’humeur ou la régulation de nos cycles veille/sommeil. Une chambre noire L’œil est avant tout une chambre noire, c’est-à-dire un espace fermé dans lequel la lumière ne peut entrer que par un tout petit trou, la pupille. La lumière en provenance d’un objet, et qui passe par la pupille, forme Trou Les rayons qui passent par le trou forment sur l'écran une image inversée cornée iris pupille cristallin corps vitré rétine macula nerf optique 15 L’anatomie de l’œil humain. © Daniel Hennequin, d’après commons.wikimedia.org/wiki/ File:Schéma_œil_humain.svg sur le fond de l’œil une image inversée de l’objet (image 14). Deux lentilles permettent d’ajuster la taille de cette image. La première lentille est la cornée, située à l’entrée de l’œil (image 15). La lumière, après l’avoir traversée, franchit la pupille puis est focalisée par une deuxième lentille, le cristallin. Des muscles permettent d’ajuster la focale de cette deuxième lentille, afin de toujours avoir une image nette au fond de l’œil, quelle que soit la distance de l’objet qui est regardé. Les appareils photos et les caméras fonctionnent sur le même principe que l’œil : ils sont constitués d’une chambre noire dans laquelle la lumière ne peut entrer que par un petit trou, le diaphragme. Au fond de la chambre noire, l’écran est tapissé de capteurs, comme la rétine : c’était autrefois un film argentique, c’est maintenant un capteur CMOS. La taille de l’image et la mise au point sont réglées grâce à des lentilles, qu’on appelle les objectifs. 14 La lumière et ses applications
La lumière et la vie Vision naturelle Dans notre rétine, la lumière est transformée en une activité électrique par deux types de photorécepteurs, les bâtonnets et les cônes. Les bâtonnets sont sensibles à de très faibles luminances (lumière des étoiles) et donc utiles pour la vision nocturne. Les cônes ne sont sensibles qu’à de plus fortes luminances (vision diurne) et se répartissent en trois classes différentes suivant leur sensibilité spectrale : les cônes dits bleus, verts ou rouges. Nous percevons donc les couleurs dès que la luminance est suffisante pour rendre opérationnels les photorécepteurs à cônes. Leur répartition est très particulière chez l’homme, avec une très grande densité dans la région maculaire ou centrale pour la vision de très grande acuité. La vision des couleurs s’explique par la présence de ces trois types de cônes, mais aussi par l’opposition des couleurs entre le vert et le rouge et entre le bleu et le jaune (combinaison du vert et du rouge) créée dans le réseau neuronal rétinien. Ce réseau neuronal augmente également les contrastes et effectue des calculs complexes pour détecter le mouvement des objets. L’œil peut donc être comparé à une caméra couplée à un calculateur. Outre l’optique de l’œil, le diaphragme pupillaire et la matrice de photo récepteurs de l’œil s’apparentent en effet à une caméra, alors que le réseau neuronal rétinien permet une analyse numérique des informations visuelles. Fonction non visuelle Depuis une dizaine d’années, la découverte de cellules ganglionnaires intrinsèquement sensibles à la lumière a permis de mieux comprendre l’implication de la rétine dans les fonctions non visuelles de la lumière (image 16). Ces cellules ganglionnaires, directement connectées au cerveau, produisent un pigment visuel, la mélanopsine, qui leur permet de répondre à la lumière même si elles sont isolées des photorécepteurs. Elles contrôlent ou influencent des fonctions non visuelles comme la régulation des rythmes circadiens, l’humeur, le sommeil, voire la mémoire ou la cognition. La perte de cette régulation par la lumière des fonctions non visuelles pourrait entraîner des pathologies comme la dépression, des altérations de la santé mentale, voire d’autres troubles. La vision artificielle Les prothèses rétiniennes proposent de réintroduire des informations visuelles dans le circuit rétinien résiduel après une dégénérescence des photorécepteurs. Ces prothèses peuvent être implantées soit à la place des photorécepteurs, soit à la surface de la rétine pour stimuler directement les cellules ganglionnaires connectées au cerveau. Elles délivrent des stimulations électriques par des électrodes pour activer les neurones rétiniens résiduels. Après capture de l’information visuelle au moyen d’une caméra et son codage sous forme de stimulations électriques, les signaux sont acheminés, dans les implants actuels, par une connexion filaire avec un circuit électronique, ce qui rend la chirurgie complexe. De nouveaux dispositifs expérimentaux supprimeront ce lien physique avec l’extérieur de l’œil, améliorant ainsi la résolution. Ils devraient permettre aux patients de reconnaître des visages, retrouver une locomotion autonome et lire à nouveau des textes complexes. ✦ 16 Extrait de l’image p. 12. Transmission de l’information lumineuse vers l’horloge biologique. Coupe de rétine de souris, montrant les cônes de la couche externe, en vert, et une cellule ganglionnaire à mélanopsine de grande taille, en rouge, dans la couche interne. © Inserm/Cooper, Howard. La lumière et ses applications 15
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