Rétine

Rétinographie

L'épaisseur d'une rétine en cas de forte myopie

La rétine est l'organe sensible de la vision. D'origine diencéphalique, elle est une mince membrane pluri-stratifiée d'environ 0,5 mm d'épaisseur couvrant environ 75 % de la face interne du globe oculaire et intercalée entre l'humeur vitrée et l'épithélium pigmentaire sous-choroïdal. Sa partie sensible à la lumière se compose de photorécepteurs: environ 5 millions de cônes (vision diurne et colorée) et ~120 millions de bâtonnets (vision crépusculaire et nocturne en noir et blanc), qui captent les signaux lumineux (photons) et les transforment en signaux électro-chimiques. Elle se compose aussi de neurones qui à leur tour intègrent ces signaux chimiques (neurotransmetteurs) en signaux électriques à l'origine de potentiels d'action mais aussi de cellules gliales. Ces potentiels d'action générés par les cellules ganglionnaires seront acheminés par les nerfs optiques vers l'encéphale par les corps géniculés latéraux (relais thalamiques qui se projettent par les radiations optiques vers la scissure calcarine du lobe occipital, hypothalamus, colliculi supérieurs, noyaux du tractus optique accessoire). La rétine est vascularisée par l'artère et la veine dites centrales de la rétine.

Quelques zones particulières de la rétine

• la macula : région centrale de la rétine, située proche de l'axe optique;
• la fovéa : région centrale de la macula où se concentrent les cônes. Cette région forme une petite dépression au centre de la rétine ou l’acuité visuelle est à son maximum.Leurs champs récepteurs se trouvent au centre du champ visuel.
• la papille : région d'émergence du nerf optique et dépourvue de photorécepteurs.

Morphologie de la rétine : de la lumière à l'impulsion

La physiologie de la rétine montre une grande diversité dans le règne animal qui s'explique par les différentes fonctions que cet organe doit accomplir. Mais on sait aussi depuis Cajal^[1] qu'elle suit une organisation similaire^[2]. Nous la décrirons ici pour les primates (humains et non-humains).

La rétine est constituée par un empilement de couches, dans le sens radial (de la surface de la rétine jusqu’au fond de l’œil) :

Organisation axiale simplifiée de la rétine. La figure montre le fond de l’œil à droite, la lumière venant de la gauche. L’organisation est à la fois radiaire, depuis les photorécepteurs (à droite) jusqu‘au fond de l'œil (au centre) puis aux cellulles ganglionnaires (à gauche), mais aussi tangentielle avec de nombreuses interactions entre cellulles voisines. (Modifié d'un dessin de Ramón y Cajal.)

1. la couche monostratifiée des cellules photoréceptrices glutaminergiques (les cônes au sein de la fovéa, ou les bâtonnets plus en périphérie), apposée sur l’épithélium pigmentaire sous la choroïde,
2. la couche plexiforme externe formée des cellules horizontales de type H1 et H2,
3. la couche nucléaire interne formée des cellules bipolaires GABAergiques et glycinergiques, de plusieurs types :
   • les cellules bipolaires périphériques, spécifiques des bâtonnets, et
   • les cellules bipolaires centrales, spécifiques des cônes, lesquelles comptent au moins les sous-classes suivantes : géantes, diffuses, midget et S-cône,
4. la couche plexiforme interne formée des cellules amacrines,
5. la couche des cellules ganglionnaires (plus d'une vingtaine de types) dont les axones (~1,25 million) se connectent de façon excentrée au niveau de la macula (comprenant moins de couches et dépourvue de cellules photosensibles) pour donner le nerf optique.

La rétine présente d’autre part, schématiquement, une double organisation architecturale : radiaire et tangentielle.

• Les photorécepteurs, les cellules bipolaires (mais aussi certaines cellules amacrines de la la couche plexiforme interne) et les cellules ganglionnaires définissent un réseau radiaire,
• tandis que les cellules des couches plexiformes interne et externe forment des réseaux tangentiels.

Réseaux radiaires

En fonction de l'intensité lumineuse, trois réseaux partiellement différents seront recrutés pour assurer la transduction des photons de lumière au niveau des photorécepteurs, et l’émission de potentiels d’action par les cellules ganglionnaires.

• Pour la vision diurne, essentiellement dans la fovéa centrale :

  Sont recrutés et connectés successivement par des synapses chimiques : les cônes, les cellules bipolaires ON et OFF, et les cellules ganglionnaires ON et OFF.

  Stimulé par la lumière, un cône simultanément active une cellule bipolaire ON et inactive une cellule bipolaire OFF.

• Pour la vision nocturne (ou scotopique), essentiellement dans la zone périphérique :

  Sont recrutés et connectés successivement par des synapses chimiques ou électriques : les bâtonnets, les cellules bipolaires ON, les cellules amacrines AII et les cellules bipolaires spécifiques des cônes puis les cellules ganglionnaires, ou directement les cellules ganglionnaires OFF spécifiques des cônes.

  En d’autres termes, les cônes centraux sont au repos, et les cellules bipolaires et ganglionnaires des cônes sont stimulées par les bâtonnets périphériques via les cellules amacrines.

• Pour la vision crépusculaire :

  Ce type de vision met en jeu les bâtonnets périphériques qui, grâce à des jonctions communicantes horizontales, activent les cônes centraux, lesquels resteraient sinon silencieux en raison de la faible intensité lumineuse. Il en résulte un maintien de l’activité du réseau impliqué dans la vision diurne.

  À proprement parler, ce type de réseau est plutôt tangentiel et non radiaire, et est en partie responsable de la perte de résolution angulaire (mais aussi de la perte de distinction des différences de couleurs) lors de l’observation des zones sombres de l’image, même en vision diurne.

Système Rétino-tectal (relais: colliculus supérieur sans projection sur le cortex)	Système Géniculo-strié (relais: corps genouillé latéral avec projection sur le cortex visuel primaire (cortex strié et V1))
Rétine Périphérique	Rétine Centrale
Présence de bâtonnets	Présence de cônes
Relations convergentes	Relations unitaires
Cellules ganglionnaires de type M (Magnocellulaire: de grande taille, grand champs récepteur, adaptation phasique)	Cellules ganglionnaires de type P ( Parvocellulaire: de petite taille, petit champs récepteur, adaptation tonique).
Forte sensibilité	Faible sensibilité
Faible pouvoir de discrimination	Faible sensibilité
Traite les informations relatives au mouvement	Traite les informations relatives à la forme et couleur
Rôle : Détection de l’information	Rôle : Reconnaissance de l’information

Réseaux tangentiels =

1. Dans la couche plexiforme externe et la couche nucléaire interne :

   Les cellules horizontales GABAergiques, en contact avec les cônes et les bâtonnets, se connectent localement les unes avec les autres grâces à des jonctions communicantes, et participent à la génération de l’antagonisme centre/périphérie.

2. Dans la couche plexiforme interne :

   Il existe de très nombreuses classes de cellules amacrines, comme les cellules amacrines AI, AII ou starbust, qui contribuent à des réseaux complexes avec les cellules bipolaires et ganglionnaires, mais aussi des cellules dopaminergiques ou des cellules interplexiformes lesquelles régulent l’activité des cellules horizontales, par exemple.

De la transduction au potentiel d'action : schéma général

Les photorécepteurs

Il existe deux types de photorécepteurs qui transforment, ou transduisent, le signal lumineux (photon) en signaux électrique (potentiels récepteurs) puis chimique (neurotransmetteur = glutamate): les cônes pour la vision diurne et colorée dont on distingue trois sous-types L, M et S, en fonction de leur sensibilité spectrale, et les bâtonnets pour la vision crépusculaire et nocturne en "noir et blanc".

Histologiquement, les photorécepteurs se présentent avec un péricaryon autour du noyau cellulaire dont le pôle supérieur est surmonté successivement par un segment interne renfermant principalement ergastoplasme et mitochondries, puis un segment externe lequel est constitué d'un empilement de citernes membranaires élaborées dans le segment interne pour les bâtonnets, et de replis membranaires se surface décroissante pour les cônes. Ces citernes et replis membranaires renferment les pigments visuels. Au pole inférieur du péricaryon, des évaginations cytoplasmiques, ou pédicule, définissent des terminaisons synaptiques avec les cellules horizontales et les cellules bipolaires. Ces synapses revêtent un aspect particulier et sont dites en ruban ("ribbon synapses"). Elles se composent d'invaginations du pédicule où se logent dendrites de deux cellules horizontales et de deux à cinq cellules bipolaires. en regard, au sein du compartiment intracellulaire, se trouve un densité présynaptique autour de laquelle s'accumulent des vésicules emplies de Glutamate.

La sensibilité à la lumière: les pigments visuels

Chaque photorécepteur synthétise dans son segment interne au-dessus du péricaryon, et stocke dans la membrane plasmique de son segment externe des pigments composés d'une protéine porteuse qui détermine la sensibilité spectrale, et qui est couplée à une molécule chromophore qui capte les photons. Dans le cas des bâtonnets, le pigment correspond à la rhodopsine constituée par une protéine: l'opsine, et le chromophore : 11-cis rétinal, aldéhyde de la vitamine A de sensibilité maximale correspondant à un rayonnement d'environ 510 nm (vert). Pour les cônes, les pigments sont: cyanolabe (S), chlorolabe (M), et érythrolabe (L), respectivement sensibles à la lumière de longueur d'onde maximale : 420 nm (bleu), 530nm (vert) et 560 nm (rouge). Chez l'être humain il y a environ 5 à 7 millions de cônes, et 120 millions de bâtonnets.

Des recherches actuelles^[3],[4] tendent à prouver que chez un certain pourcentage d'hommes (10%) et de femmes (50%), il existerait un quatrième type de cônes sensibles aux oranges.

Cônes (C) et bâtonnets (B)s'opposent quant à la propriétés de leur pigments visuels: sensibilité forte (B) et faible (C), acuité forte (C) et faible (B), et adaptation forte (B) et faible (C).

La transduction

L'absorption d'un photon par le chromophore entraîne des modifications électro-chimiques transitoires des photorécepteurs qui affectent sa polarité, et la libération de Glu à son pôle basal.

Mécanismes biochimiques (exemple des bâtonnets):

Au repos (dans l'obscurité), les bâtonnets apparaissent spontanément dépolarisés (-40 mV)en raison de l'existence d'un flux rentrant de cations (sodium et calcium, et dans une moindre mesure (5%) magnésium et potassium). Ce flux est lié à l'ouverture de conductances transmembranaires sous l'action du GMPc (guanosine monophosphate cyclique) synthétisé à partir de l'action de la guanylate-cyclase sur le GTP (guanylate triphosphate). Le flux de potassium active un canal antiport: le potassium entrant est excrété en même temps que du sodium est pompé à dans le milieu extracellulaire ce qui contribue à accroître le flux entrant global de cet ion.

L'illumination de la rétine provoque la capture de photon par la rhodopsine. Il s'ensuit une modification géométrique du chromophore (photo-isomérisation) qui passe du 11-cis rétinal en 11-trans-rétinal. Ce phénomène se produit au sein de la membrane des citernes des segments externes.

Cette photo-isomérisation conduit à l'activation d'une protéine également membranaire: la transducine dont une sous-unité alpha se détache et se recombine transitoirement à une molécule de GTP, et à une enzyme jusqu'alors inactive: la phosphodiestérase. Le complexe résultant concourt à activer la phosphodiestérase laquelle, à son tour, hydrolyse et donc inactive le GMPc en GMP. Or, le GMpc est responsable de l'ouverture des canaux cationiques à l'origine de la dépolarisation. Donc, la diminution de la concentration de GMPc entraîne une fermeture de ces canaux. La diminution du flux entrant de sodium repolarise alors la membrane.

Cette repolarisation qui se propage du segment externe à l'ensemble du photorécepteur se traduit au niveau des terminaisons synaptiques par une réduction de la libération de Glutamate dans la fente synaptique.

L'ensemble de ce mécanisme électro-chimique subit un amplification qui permet notamment de contre-balancer le bruit thermique (thermoisomérisation): 1 photon active 100 transducines qui activent 1000 phosphodiestérases.

Cascades d'activations/inhibitions sur les réseaux radiaires

Au repos dans l'obscurité, les photorécepteurs se trouvent spontanément dépolarisés, et libèrent à leur base un neurotransmetteur : le glutamate (Glu). Glu diffuse dans la fente synaptique vers les cellules bipolaires ON qu'il inhibe en se fixant sur des récepteurs métabiotropes APB, et vers les cellules bipolaires OFF, qu'il active en se fixant sur des récepteurs ionotropes. Il s'ensuit que seule les cellules ganglionnaire OFF ainsi activées par les cellules bipolaires OFF émettront des potentiels d'action au sein du nerf optique.

En présence de lumière dont l'intensité recrutera soit les cônes soit les bâtonnets, l'absorption des photons au niveau des segments externes des photorécepteurs se solde par une dépolarisation cellulaire et corrélativement par une diminution de l'excrétion de Glu. Il en résulte une activation des cellules bipolaires ON par désinhibition (et donc des cellules ganglionnaires ON associées), et une inhibition des cellules bipolaires OFF.

Champs récepteurs des cellules ganglionnaires: antagonisme centre/périphérie

Le champ récepteur d'un neurone sensoriel désigne l'ensemble des récepteurs en relation avec le neurone sensoriel. Il est constitué de deux parties : centre et périphérie, antagonistes l’une de l’autre (centre excitateur, périphérie inhibitrice). Il améliore le contraste et donc la précision de l’information.

L'activation d'une cellule ganglionnaire dépend de l'illumination d'une région circulaire de la rétine et son inhibition d'une région annulaire circonscrivant la précédente région. Ces deux régions concentriques déterminent le champ récepteur à centre ON (activateur) et à périphèrie OFF (inhibitrice). La configuration inverse comportant un centre OFF et une périphérie ON existe également. Dans le premier cas, l'illumination du pourtour OFF conduit à l'inhibition du récepteur, et celle simultanée des centres ON et pourtour OFF conduit à une activation décroissante en fonction de l'étendue de l'illumination du pourtour. En conséquence, l'activité électrique finale des cellules ganglionnaires traduit le contraste lumineux, estimé grâce à l'antagonisme centre/périphérie de leurs champs récepteurs.

Le centre ON se compose des circuits radiaires incluant successivement : photorécepteurs, cellules bipolaires (et amacrines AII pour les bâtonnets) et cellules ganglionnaires. La périphérie OFF dépend de la présence des cellules horizontales connectées aux photorécepteurs situées dans cette zone. En effet, l'illumination des photorécepteurs de la zone OFF entraîne l'activation des cellules horizontales sous-jacentes, couplées entre elles par des jonctions communicantes. Ces cellules horizontales s'hyperpolarisent et libèrent alors un neurotransmetteur : le GABA, qui inhibe les photorécepteurs de la zone ON. Les cellules horizontales sont ainsi responsables d'une inhibition latérale dont l'extension spatiale dépend du couplage des cellules horizontales entre elles par des jonctions communicantes qui propagent l'hyperpolarisation. Les cellules plexiformes contrôlent cette extension spatiale en découplant les cellules horizontales. Les cellules horizontales H1 pourvues d'un très long axone se connectent aux bâtonnets, et aux L et M cônes, alors que les cellules horizontales H2 dépourvues d'un tel axone se connectent aux cônes majoritairement de type S.

Transformation multicanaux : l'image impulsionnelle

On a vu que ce sont seulement les CGs qui émettent les PAs qui seront transmis au reste du SNC, ce qui montre que depuis les 10⁸ photorécepteurs (PhR) via environ 10⁹ cellules intermédiaires et jusqu'au nerf optique constituée par les axones du million de cellules ganglionnaires (soit une compression de l'ordre de 100 en nombre de cellules), la transformée rétinienne est une transformation d'une intensité lumineuse variant dans le temps à un signal spatiotemporel impulsionnel de potentiels d'actions ^[5]. On remarque aussi que le nombre relativement peu élevé de fibres en sortie montre que la taille du signal doit être comprimée pour qu'il soit transmis efficacement au reste du SNC. Une méthode utilisée par la rétine est alors de transformer l'information visuelle en un signal multicanaux qui tend à séparer les sources qui ont produit la sensation lumineuse, réduisant ainsi la dimension du signal à transmettre. De nombreux scientifiques du champ des neurosciences computationnelles ont tenté de modéliser la rétine afin de créer des prothèses mais aussi pour mieux comprendre son fonctionnement. Parmi eux, on peut citer les travaux de David Marr sur la perception de la luminance dans la rétine des primates^[6].

En particulier, Atick^[7]a montré que la réponse des cellules ganglionnaires à différentes fréquences spatiales coïncidait avec une réduction des corrélations spatiales entre des locations voisines, montrant ainsi que des principes écologiques peuvent guider la compréhension des fonctions rétiniennes. Un aspect du codage rétinien est donc de souligner des parties non redondantes et qui sont donc relativement saillantes. Dans notre cadre, cette sensibilité va permettre de propager plus rapidement les parties de l'image les plus saillantes, conduisant de plus à une transformation temporelle de l'information spatiale. De façon analogue, on observe que les cellules ganglionnaires transforment l'information lumineuse en signaux relativement indépendants. Ainsi l'information de couleur, la chrominance est séparée de l'information d'intensité lumineuse, conduisant à un multiplexage de l'information lumineuse. On observe ainsi que des CGs morphologiquement et fonctionnellement différentes (cellules a, b et g) vont porter des canaux différents. Ce découplage sera aussi temporel puisque l'information d'intensité lumineuse est plus rapidement activée que la couleur, créant ainsi des voies à plusieurs latences pour l'information rétinienne.

Finalement, si on présente assez rapidement une image à un sujet pour éviter toute saccade oculaire, celle-ci va se projeter au fond de l'œil en une image distordue et inversée, activer les photo-récepteurs puis tout le réseau rétinien pour enfin être transformée en de multiples canaux par les cellules ganglionnaires. De manière synthétique, chacune de ces cellules peut alors être caractérisée par une sensibilité maximale à un canal particulier et par une réponse temporelle, mais les sensibilités peuvent se recouvrir avec celles d'autres CGs et sont interdépendantes (Salinas01). L'image que nous percevons est alors entièrement codée en un train d'impulsions en environ 20-40ms. Alors que la vague d'activité rejoint maintenant le nerf optique, le décodage de cette transformation dans le reste du système visuel semble alors tenir du miracle.

Pathologies de la rétine

Parmi les nombreuses pathologies de la rétine, on peut citer les maladies génétiques suivantes :

• l'achromatopsie absence totale de vision des couleurs, acuité visuelle réduite, forte photophobie et nystagmus
• l'amaurose congénitale de Leber
• le daltonisme
• la rétinite pigmentaire

L'achromatopsie et le daltonisme sont stables, alors que l'amaurose congénitale de Leber et les rétinites pigmentaires sont dégénératives. Des essais de thérapie génique ont donné des résultats positifs sur des animaux atteints de certaines formes d'achromatopsie et d'amaurose congénitale de Leber.

Citons également :

• le décollement de rétine
• la dégénérescence maculaire liée à l'âge
• l'hémorragie rétinienne
• occlusion artérielle et veineuse
• les rétinopathies, dont la rétinopathie diabétique
• l'agnosie : trouble de la reconnaissance des objets, des personnes ou des lieux, qui n’est pas rattaché à un déficit sensoriel. L’origine de cette déficience est liée à un dysfonctionnement de l’aire V4.
• la prosopagnosie : Forme particulière d’agnosie qui se traduit par une perturbation de l’aptitude à reconnaître les visages.
• l'akinétopsie : Perte sélective de la perception du mouvement liée à un dysfonctionnement de l’aire V5.
• l'ataxie visuelle : déficit du contrôle visuel de la préhension et d’autres mouvements.

Notes et références

1. ↑ S. R. Y. CAJAL, Histologie Du Système Nerveux de l'Homme et Des Vertébrés, Maloine, Paris, 1911.
2. ↑ M. IMBERT, « La neurobiologie de l'image », in La recherche, vol. 14 p. 600-13, 1983.
3. ↑ Backhaus, Kliegl & Werner « Color vision, perspectives from different disciplines » (De Gruyter, 1998), p.115-116, section 5.5.
4. ↑ Pr. Mollon (université de Cambridge), Pr. Jordan (université de Newcastle) « Study of women heterozygote for colour difficiency » (Vision Research, 1993)
5. ↑ M. MEISTER ET M. J. B. II, « The neural code of the retina », in Neuron, vol. 22 p. 435-50, 1999.
6. ↑ Marr, D. (1974), « The computation of lightness by the primate retina. », Vision Research, 14:1377-1388.
7. ↑ J. J. ATICK ET A. N. REDLICH, « What does the retina know about natural scenes? », in Neural Computation, p. 196-210, 1992.

Voir aussi

Bibliographie

• R. W. RODIECK, « Quantitative analysis of cat retinal ganglion cell response to visual stimuli », in Vision Research, vol. 5 p. 583-601, 1965.
• R.W. RODIECK (1998), "The first steps in seing", Sinauer.

Articles connexes

• Classement thématique des neurosciences
• Hémorragie rétinienne
• Persistance rétinienne

Liens externes

• Les pathologies de la rétine sont traitées dans l'encyclopédie médicale Vulgaris [1]
• Référence sur la rétine [2] (en anglais)
• Site de neuroanatomie de l'Université Montpellier III [3]