Tout d'abord, qui sommes nous ?

Nous sommes des élèves de première S-SVT au lycée Jules Verne de Château-Thierry en Haut de France. Dans cette application nous vous présentons les résultats de nos recherches sur un TPE. La problématique de ce TPE étant la suivante :

Alors que l'apprentissage est un sujet très discuté et que de nouvelles méthodes d'apprentissage sont créés, nous avons pensé que de décrire le fonctionnement de l'apprentissage à partir d'informations visuelles était intéressant. Ainsi nous avons étudier ce fonctionnement en sachant que l'œil est l'organe pair de la vue, formé, chez les mammifères, du globe oculaire et de ses annexes (paupières, cils, glandes lacrymales etc...) et que l'apprentissage désigne l'ensemble des processus de mémorisation mis en œuvre par l'animal ou l'Homme pour élaborer ou modifier les schémas comportementaux spécifiques sous l'influence de son environnement et de son expérience. Nous nous demanderons comment le cerveau apprend à partir d'une ou plusieurs images. Nous verrons tout d'abord le fonctionnement de l'œil, ensuite la transmission et la compréhension des images reçues et enfin l'apprentissage.

L'œil est un instrument d'optique comme les microscopes mais les yeux peuvent s'ajuster plus facilement. Ils sont sensibles aux couleurs, ils s'adaptent très facilement aux variations de luminosité et ils se mettent au point automatiquement et ce grâce à sa composition.

L'oeil possède de nombreux composants visibles. Le sclérotique occupe 1\5 de l'oeil et est la plus résistante des tuniques de l'oeil. Elle le protège des dégâts extérieures et est percée en son centre par la cornée qui est une membrane circulaire transparente qui permet le passage des rayons lumineux.

La cornée la partie antérieur de l'oeil. Elle est résistante et transparente et est en continuité avec le blanc de l'oeil. Elle ne possède aucun vaisseaux.Ses cellules reçoivent leur oxygène et leurs nutriments par simple diffusion de l'intérieur : c'est l'humeur aqueuse qui la nourrit, et de l'extérieur ce sont les larmes. Elle sert à protéger l'oeil et c'est la première lentille que la lumière rencontre.

Au centre de la cornée, il y a la l'iris qui est la partie coloré de l'œil(bleu, marron ou vert). Elle est une membrane circulaire et contractile de la face antérieur du globe .En son centre, nous pouvons y voir la pupille qui est un orifice. C' est la partie visible de la couronne ciliaire qui est composée de cils extrêmement fin qui régulent la quantité de lumière qui entre dans l'œil par la pupille.

La contraction et la dilatation de l'iris sont contrôlées par deux muscles : le sphincter pupillaire et le dilatateur . Quand il y a beaucoup de lumière, l'iris se contracte et la pupille qui s'occupe de laisser passer la lumière se rétracte ce qui engendre une diminution de l'intensité lumineuse qui frappe le centre de la rétine Quand il y a peu de lumières, l'iris s'ouvre et la pupille se dilate. Enfin, nous pouvons parler du corps ciliaire qui sécrète l'humeur aqueuse qui est un liquide transparent qui se trouve entre la cornée et l'iris, continuellement filtré et renouvelé. Elle est aussi essentiellement constitué d'eau mais aussi de vitamine c, de glucose, d'acide lactique et de protéine.Elle se renouvelle entièrement en 2-3heures. Ce corps ciliaire contient un réseau de muscle qui permet de modifier la courbure du cristallin afin de rendre la vision nette.

Toute les parties de l'oeil ne sont pas visibles mais elles sont pourtant toutes essentielles à son fonctionnement . Commençons par le cristallin qui est un organe très important pour le fonctionnement du système visuel. Il permet notamment l'accommodation en inclinant plus ou moins sa courbure grâce aux muscles lisses du corps cellulaire. Il représente un tiers de la « puissance » de l'œil et absorbe une partie des UV en protégeant ainsi la rétine.

Sur cette photo issue de la dissection, nous pouvons voir que le cristallin permet de faire converger les rayons car en regardant à travers le cristallin, le texte nous apparaît plus zoomé que lorsque l'on ne regarde pas à travers.

Ensuite vient la rétine qui se trouve au fond de l'œil. On peut la comparer à un écran de cinéma au fond d'une salle noir. Elle réceptionne l'image formée par la cornée et le cristallin.La rétine doit transmettre l'image(la lumière) au cerveau grâce au nerf optique.

L'image est transformée par des cellules rétiniennes ce qui provoque une impulsion électrique que le cerveau est capable de comprendre.

Après la transformation, l'image est :
- inversée

- presque entièrement monochrome et très floue

- présente dans une zone noire qui correspond à l'extrémité du nerf optique

- toujours en mouvement

- nette seulement dans la zone centrale de la macula

Revenons maintenant sur le nerf-optique cité précédemment. C'est un nerf crânien responsable de la transmission des informations sensorielle de l'œil en direction du cerveau. Il est chargé d'envoyer les signaux que l'œil perçoit jusqu'à notre cerveau. Le cerveau interprète ces signaux grâce à des stimuli externes et compose une image mentale de ce que l'individu voit.Il comporte environ 1,2millions d'axones qui sont une longue extension qui transporte les influx nerveux du corps cellulaire jusqu'à la synapse venant des cellules ganglionnaires de la rétine qui se rassemble au fond du globe oculaire.

A présent, nous allons étudier quel est le trajet de la lumière

La lumière pénétrant dans l'oeil va être focalisé par une lentille : le cristallin. De part et d'autre de celui-ci, elle traverse l'humeur aqueuse et le corps vitré. Les images produites par le cristallin se forment sur la rétine qui permet de détecter la lumière. La rétine comporte deux types de cellules photosensibles : -Les cônes : Ce sont des cellules photosensible situées au fond de la rétine qui permettent la vision des couleurs et des détails (acuité visuelle) . Un être humain en possède entre 5 et 7millions. Ils permettent la vision de jour dit diurnes. Ils possèdent 3 variétés de photo pigments appelées opsine :

- les bleus qui sont activés par une longueur d'onde d'environ 420 nanomètres

- les verts qui sont activés par une longueur d'onde d'environ 530 nanomètres

- les rouges qui sont activés par une longueur d'onde d'environ 560 nanomètres

- Les bâtonnets : Ce sont des cellules photoréceptrices qui permettent d'avoir une vision d'obscurité et de nuit. Chaque œil humain comporte entre 130 et 150 millions de bâtonnets. Ils ne permettent pas une vision des couleurs et sont donc scotopique. Contrairement aux cônes, le photo pigment des bâtonnets est toujours le même et est insensible a la couleur. C'est la rhodopsine.

Ces deux cellules photosensibles de la rétine transforment le signal électromagnétique et la lumière en influx nerveux. Grâce à cela, le cerveau peut interpréter et construire une image. Dans la partie postérieure de la rétine, il y a la macula qui contient en son centre la fovéa qui est une zone de la rétine d'environ 1,5mm de diamètre qui se situe au fond de l'œil(plus précisément de la rétine) et ou l'acuité visuelle est au maximum. Elle contient environ 50 000 cônes tandis qu'elle ne contient aucun bâtonnet. Elle permet aussi la vision diurnes, la perception des couleurs ainsi qu'une vision des formes. Le champ de vision de la fovéa en environ 5°

En s'éloignant de la fovéa et en continuant de suivre le trajet de la lumière maintenant transformée par la rétine comme nous l'avons vu dans la partie précédente, on rencontre de plus en plus de cônes et de bâtonnets au fur et à mesure de l'éloignement du centre de l'oeil. Ces cellules photosensibles sont reliées à des cellules nerveuses, elles-mêmes en liaison avec les cellules constituant le nerf-optique. La zone de la rétine où arrive le nerf optique est dépourvue de cellule photosensible et ne peut donc pas détecter la lumière reçue. Cette zone est appelée tache aveugle.

Nous avons donc vu l'œil avec sa composition et le trajet de la lumière à travers celui-ci.Nous verrons à présent la transmission et la compréhension de l'image par le cerveau.

Les informations visuelles arrivent de l'œil via le nerf optique, puis elles sont transmises aux neurones du cerveau via les synapses.

Les signaux électriques provenant de la rétine sont transmis via le nerf optique qui est constitué d'une multitude de neurones mis bout à bout. Ces derniers permettent la transmission des signaux électriques de la rétine jusqu'à la synapse reliant le nerf optique au cortex visuel. Ce synapse qui prend le relais au début du cortex visuel et est appelée Corps Grenouillé Latéral (CGL) et partage les informations à l'air V1 du Cortex Visuel.

Le cerveau analyse les images grâce au cortex visuel qui est dans le lobe occipital qui est lui-même composé de 5 aires corticales notées (V1 / V2 / V3 / V4 / V5).

Toutes les zones du cortex visuel ne sont pas forcément utilisées en même temps.

L'aire V1 reçoit les informations visuelles venant des yeux via le nerf optique et va détecter les couleurs. Si la zone V1 à besoin de traiter des formes elle va faire appel à la zone V2 qui traite les formes, le mouvement ainsi que la direction du mouvement est également traitée par l'aire V2, donc si V1 demande un traitement des formes et / ou des mouvements ; la zone V2 est appelée. La zone V2 permet également la perception des textures.

La zone V3 est appelée pour détecter la profondeur (distance œil->objet) en utilisant la différence de position entre les deux yeux pour déduire une distance via de la trigonométrie tridimensionnel.

La zone V3 peut être appelée par l'aire V1 ou par l'aire V2 en fonction du besoin ou du moment où les informations visuelles sont suffisamment traitées pour demander un traitement supplémentaire. L'aire V3 dispose également de la possibilité de traiter les formes dans le cas où V1 appel V3 sans passer par l'aire V2.

Les aires V4 et V5 se connectent réciproquement pour synthétiser toutes les informations visuelles traitées par les zones V1, V2 et V3 pour former une seule perception d'image (avec les paramètres trouvés comme le mouvement, les formes, la distance etc.) pour percevoir l'environnement dans lequel est situé le sujet.

La transmission réciproque entre les aires V4 et V5 permet d'arbitrer des possibles doublons dans les résultats des différentes aires comme par exemple dans le cas des illusions optiques.

Dans le cas de cette illusion optique, V2 permet de voir le triangle blanc.

La voie dorsale est le trajet suivi, à l'intérieur du cortex (substance grise en périphérie du cerveau composée des corps cellulaires de neurones), par les informations provenant de la localisation dans l'espace des objets (où). La voie dorsale termine son travail dans le lobe pariéto-occipital et est appelée « dorsale » du fait de sa position dans la partie supérieure du cerveau

La voie ventrale est le trajet qui est suivi, à l'intérieur du cortex, par les informations provenant des caractéristiques des objets (leur forme, leur couleur, leur matière). Il s'agit d'une voie se terminant à l'intérieur du lobe temporo-occipital. Le nom de "ventrale" vient de sa situation: dans la partie inférieure du cerveau.

La perception visuelle doit répondre à deux questions fondamentales : où et à quoi. Étant donné que chacun doit réagir de façon appropriée, il est important d'identifier ce que nous regardons et ce que nous devons déterminer et où cela se situe.

La voie dorsale appelée occipito-pariétale à la spécification de percevoir la position spatial de ce que nous regardons afin d'analyser la configuration spatiale de différents objets dans notre champ de vision. Cette voie à une durée de traitement rapide qui permet par exemple aux joueurs de tennis d'ajuster la trajectoire de leurs balles très rapidement.

La voie ventrale appelée occipito-temporale à la spécificité de prendre connaissance des détails d'un objet dans notre champ de vision

L'Hippocampe est une structure du cerveau qui est centrale dans le système de mémorisation et de navigation spatiale. Cette structure est située dans le lobe temporal qui est lui-même positionné sous le lobe pariétal et derrière le lobe frontal, le lobe temporal est représenté en vert.

Nous avons vu la transmission et la compréhension des images.Nous verrons à présent l'apprentissage du cerveau à partir des informations visuelles.

Pour apprendre, il est nécessaire d’introduire une nouveauté pour sortir notre cerveau de sa léthargie. L’apprentissage désigne l’ensemble des processus de mémorisation mis en œuvre par l’animal ou l’Homme pour élaborer ou modifier les schémas comportementaux spécifiques sous l’influence de son environnement et de son expérience.

La mémoire s'élabore au centre de notre cerveau, dans une partie appelée "hippocampe". L'hippocampe est une structure du cerveau des mammifères. Il appartient notamment au système limbique et joue un rôle central dans la mémoire et la navigation spatiale. Quand l'information arrive à l'hippocampe, elle est triée puis envoyée dans la partie du cerveau qui va pouvoir la traiter ; c'est-à-dire trouver sa signification et sa place .Les informations visuelles sont traitées par le lobe occipital à l'arrière du cerveau. Il est délimité par les limites postérieures des lobes pariétaux et temporaux. Il s'occupe principalement de la vision. Il traite et interprète ce que nous voyons. Il analyse les aspects comme la forme, la couleur et le mouvement pour identifier les images visuelles. Le lobe occipital se situe au niveau de l'os occipital, sur la partie latérale et inférieur du cerveau .Il est séparé des autres lobes par différents sillons :

L'hippocampe reçoit toutes les informations envoyées par les cinq sens : les yeux, les oreilles, la peau, le nez, la langue...Les messages se propagent par l'intermédiaire des cellules nerveuses, les neurones, reliés entre eux par de minuscules points de contact, les synapses. L'influx passe grâce à des substances chimiques spécialisées, ou "neurotransmetteurs", qui transportent l'information d'un neurone à l'autre. Un neurotransmetteur (ou neuromédiateur) est une molécule chimique qui assure la transmission des messages d'un neurone à l'autre, au niveau des synapses. Une synapse est une zone située entre deux neurones (cellules nerveuses) et assurant la transmission des informations de l'une à l'autre.

Il existe deux types de synapses :les synapses chimiques et les synapses électriques. Comme l'influx passe par des substances chimiques spécialisées, alors nous ne parlerons que des synapses chimiques :

Les synapses chimiques utilisent des neurotransmetteurs, substances chimiques libérées par les neurones présynaptiques, comme support de la communication. Un neurone présynaptique est une cellule chargée de transférer le message nerveux situé avant la synapse qui est la zone qui transmet le signal électrique entre deux neurones. L'information, sous forme d'impulsions électriques se propageant jusqu'à l'extrémité de l'axone qui est un long prolongement fibreux du neurone, qui conduit l'influx nerveux. L'axone est un long prolongement qui émerge du corps cellulaire du neurone. Sa longueur est variable et peut atteindre plus d'un mètre. Son extrémité se divise en "branches" qui se connectent à d'autres neurones par l'intermédiaire d'une structure particulière : la synapse. L'axone transmet les messages de notre organisme (une douleur, un mouvement), sous forme de signaux de nature électrique. L'information est transformée dans le bouton terminal en un signal chimique qui permet le franchissement de la fente synaptique. Le bouton synaptique, parfois appelé corpuscule nerveux terminal, est la partie qui se situe à l'extrémité de l'axone. Un axone (ou fibre nerveuse) correspond au prolongement du neurone. Les neurones sont des cellules nerveuses qui permettent de transmettre des influx nerveux. Le bouton synaptique intervient dans cette transmission car il constitue la partie présynaptique d'une synapse (zone de contact entre deux neurones) et la partie postsynaptique d'une autre cellule. La fente synaptique est un espace entre deux cellules nerveuses qui constitue une aire de jonction par laquelle le message chimique passe d'un neurone à l'autre, entraînant l'excitation ou l'inhibition de ce dernier.

La membrane postsynaptique permet d'éliminer ou de concentrer certains constituants par osmose, dialyse, filtration, etc, ce signal chimique est en général à nouveau transformé sous forme d'un signal électrique. Le signal chimique est lui-même représenté par un neurotransmetteur, stocké et libéré par les vésicules synaptiques dans la partie présynaptique. Les vésicules synaptiques sont de petits compartiments des terminaux présynaptiques des neurones, stockant des neurotransmetteurs qui sont susceptibles d'être libérés.

La mémorisation se substitue en deux étapes :

L'information doit être "codée", c'est-à-dire être transmise par l'hippocampe à un ou plusieurs lobes spécialisés qui vont la traiter et en faire une "trace mnésique" : un circuit nerveux est tracé dans le cerveau. Plus le codage est précis, plus la trace mnésique est profonde et l'information bien enregistrée. Les informations "mises en mémoire" ne sont pas stockées physiquement à un endroit du cerveau qui grossirait quand nos apprentissages augmenteraient. La mémorisation laisse bien une trace appelée « trace mnésique » :

Les traces mnésiques font appel à toutes nos connaissances. Il existe plusieurs étapes à franchir avant de comprendre une situation : Perception >Analyse via les traces mnésiques >Reconnaissance > Action.

Traces mnésiques : ces empreintes que les informations laissent dans notre cerveau

Comme nous l'avons dit, il n'y a pas un lieu de stockage particulier puisque l'information est stockée sur les circuits créés entre certains neurones par des connexions nouvelles. Mais ce stockage obéit à des règles :

On observe qu'il y a un stockage de court terme constitué d'informations enregistrées récemment, volontairement ou involontairement : elle a une capacité limitée et se vide très vite pour laisser la place aux nouvelles informations qui arrivent. Ainsi un cours suivi le matin même laisse encore des souvenirs dans la mémoire de court terme le soir, mais dès le lendemain, les nouveaux cours vont prendre sa place dans la mémoire de court terme. Pour garder sa "trace mnésique", il faut qu'il y ait un premier apprentissage tout de suite. Le cours peut alors passer dans la mémoire de long terme.

Le stockage de long terme a une capacité beaucoup plus importante : on peut y placer bien des souvenirs et connaissances à condition de bien les coder et les organiser pour pouvoir les retrouver.

La plasticité cérébrale décrit la capacité du cerveau à remodeler ses connexions en fonction de l'environnement et des expériences vécues par l'individu.

Grâce à la plasticité cérébral, nous pouvons renouveler nos réseaux de neurones et récupérer tout ou une partie d'une fonction perdue. La plasticité cérébrale fait référence à la capacité du système nerveux à changer sa structure et son fonctionnement au cours de sa vie comme réaction à la diversité de son environnement.

La neuroplasticité permet aux neurones de se régénérer autant d'un point de vue anatomique que fonctionnel ainsi que de former de nouvelles connexions synaptiques. La plasticité neuronale représente la faculté du cerveau à se récupérer et à se restructurer. Ce potentiel d'adaptation du système nerveux permet au cerveau de récupérer après des troubles ou lésions et peut également réduire les effets des altérations structurelles causés par des pathologies comme la sclérose en plaques, la maladie de Parkinson, la détérioration cognitive, la maladie d' Alzheimer, la dyslexie, le TDA, l'insomnie chez les adultes, l'insomnie infantile, etc.

Lors d'un nouvel apprentissage ou d'une nouvelle expérience, le cerveau établit une série de connexions neuronales. Ces voies ou circuits de neurones sont construits comme des routes pour l'intercommunication des neurones. Ces routes sont créées dans le cerveau à partir de l'apprentissage et de la pratique (comme les routes de montagnes créées par le passage quotidien du berger et de son troupeau). Les neurones communiquent entre elles via des connexions appelées synapses et peuvent se régénérer infiniment. Après l'acquisition de nouvelles connaissances (grâce à la pratique), la communication ou la transmission synaptique entre les neurones impliquées est renforcée. Une meilleure communication entre les neurones facilite le déplacement des signaux électriques lors de leur parcours. Par exemple, lorsque nous tentons de reconnaître un oiseau, de nouvelles connexions s'établissent entre certains neurones. Ainsi, les neurones du cortex visuel déterminent sa couleur, celles du cortex auditif prêtent attention à son chant et les autres au nom de l'oiseau. Pour connaître l'oiseau et ses attributs, la couleur, le chant ainsi que le nom sont évoqués de manière répétitive. En revisitant le circuit neuronal et en rétablissant la transmission neuronale entre les neurones impliqués, chaque nouvel essai améliore l'efficacité de la transmission synaptique. La communication entre les neurones correspondantes est améliorée, la cognition est de plus en plus rapide. La plasticité synaptique est sans doute le pilier sur lequel la malléabilité du cerveau repose.

Le rappel des informations enregistrées :
Inutile d'apprendre et de mémoriser si l'on ne parvient pas à se rappeler de ce qu'on appris au bon moment ! Pour que cela fonctionne, il faut que l'information ait été enregistrée correctement : avec un codage assez élaboré pour que la mémoire puisse se raccrocher à des repères précis et variés (nom de la personne, ville d'habitation, formule mnémotechnique pour se rappeler son numéro). Il faut aussi qu'il y ait eu une bonne organisation de l'information enregistrée (ex : pour se souvenir des planètes du système solaire, savoir qu'il y en a 9, et qu'on les a apprises de la plus lointaine à la plus proche du soleil, pour telle liste de mots, savoir qu'il y en a 30 classés en quatre parties, etc.)

Somme toute la vue est un sens très complexe qui ne se résume pas à deux images provenant de chacun des yeux. La vue est tout d'abord quelque chose de physique, c'est la captation des rayons lumineux grâce aux yeux. Puis la vue ne serait pas un sens sans un traitement par le cerveau avec le cortex visuel qui analyse les images reçue de chacun des yeux pour en extraire différents paramètres qui sont ensuite transmis à l'hippocampe qui va utiliser ces images, notamment dans le cadre de l'apprentissage.

• Chercheur & Développeur de l'application :
  Tom PASCARD (tom.pascard@weeplom.com)



• Chercheur :
  Vincent ROBLET (vincentroblet@outlook.fr)



• Chercheur :
  Matthieu legenne (matthieu.legenne@orange.fr)