# Œil humain

L'œil humain est un des organes du système visuel humain qui permet la perception visuelle humaine : il forme des images sur sa rétine, les code et les transmet aux aires visuelles du cerveau pour les analyser et pouvoir interagir avec son environnement. L'œil humain permet de distinguer les formes et les couleurs. La science qui étudie l'œil s'appelle l'ophtalmologie.
L’œil, fruit de l’évolution, s'avère complexe et se révèle une médiocre optique complétée par une rétine imparfaite : ainsi les informations transmises aux cortex visuels ne sont pas de bonne qualité et le cerveau doit faire un gros travail d’interprétation (en relation avec la mémoire, les autres sens et le contexte) pour arriver à une image riche et suffisamment fiable.
La rétine fournit aussi des informations qui permettent de détecter le mouvement en périphérie ou d'alimenter l’horloge biologique circadienne (cycles jour-nuit) pour la synchronisation sur la clarté et l’obscurité. Par ailleurs, le système visuel pilote le regard, les mouvements oculaires et la plus ou moins grande ouverture de la pupille.
L’œil peut présenter de multiples pathologies qui montrent alors l'importance de cet organe pour la vie quotidienne. Dans le cas le plus grave, c'est la cécité totale, une pathologie lourde à porter.
L'un des grands défis de la technologie sera de fabriquer des yeux électroniques, capables d'égaler voire de dépasser les aptitudes des yeux du monde vivant pour, par exemple, remplacer l'œil d'une personne accidentée.

## Anatomie et physiologie de l'œil humain

L'œil humain est un globe oculaire qui mesure environ 2,5 cm de diamètre et a une masse de 7 grammes. Il est formé de trois enveloppes, ou tuniques (externe avec un rôle de protection, moyenne avec un rôle nourricier, interne avec un rôle de réception et codage des informations lumineuses) qui contiennent trois milieux transparents jouant globalement, avec la cornée, le rôle d'une lentille optique convexe (le corps vitré à l'arrière, le cristallin, l'humeur aqueuse des chambres antérieures et postérieures à l'avant)$^,$.
Les yeux constituent en réalité des excroissances du cerveau (précisément du diencéphale). Ainsi, le système visuel humain est le système sensoriel de l'être humain dédié à la vision et fait partie du système nerveux central. Il comprend : l’œil et les photorécepteurs de la rétine (sensibles à la lumière), des voies nerveuses faisant le lien avec le cerveau et les zones du cerveau dédiées à la vision.

### Tunique externe : la sclérotique

La sclérotique est la plus résistante des tuniques de l'œil : elle le protège des dégâts mécaniques et soutient sa structure. La partie avant de la sclérotique est visible c'est le blanc de l’œil et la cornée (membrane transparente circulaire et bombée qui permet le passage des rayons lumineux).

### Tunique moyenne : l'uvée

L'uvée est constituée de la choroïde (à l'arrière de l’œil), le corps ciliaire et l'iris.
La choroïde est une membrane vascularisée qui assure la nutrition de la rétine. Les cellules de cette tunique renferment un pigment, la mélanine, qui lui donne une couleur brun-foncé, afin que les rayons ne pénètrent que par la pupille.
Le corps ciliaire sécrète l'humeur aqueuse. Il contient un réseau de muscles qui permettent de modifier la courbure du cristallin, un petit disque fibreux, transparent et flexible, afin de rendre la vision nette (l'image reste focalisée sur la rétine lorsque la distance de l'objet regardé varie).
L'iris donne la couleur à l'œil. Il est percé en son centre par une ouverture circulaire, la pupille, qui se dilate ou se contracte selon l'intensité de la lumière ou selon l'attention, grâce à l'action des muscles lisses de l'iris.

#### Couleur de l'iris

La couleur des yeux est un caractère polygénique qui est principalement déterminé par la quantité et le type de pigments présents dans l'iris de l'œil. Les humains et les animaux présentent de nombreuses variations phénotypiques relatives à la couleur des yeux. Chez les humains, ces variations de couleur sont dues à la proportion variable d'eumélanine produite par les mélanocytes dans l'iris.

### Tunique interne : la rétine

La rétine est la tunique la plus interne de l’œil. Elle contient des cellules sensorielles (photorécepteurs) codant (transduction) la lumière reçue en influx nerveux transmis au cerveau par le nerf optique$^,$.
Il est possible de visualiser la surface de la rétine sur un fond d’œil, photographie de face de la rétine dans la partie arrière de l’œil. La rétine y apparaît en rose-orangé. La partie centrale du fonds d’œil apparaît plus foncée et est appelée macula. Le reste du fond d’œil est appelé périphérie. Les vaisseaux sanguins de l’œil sont également visibles et convergent vers la zone claire du côté du nez appelée papille optique ou point aveugle car elle n’est pas sensible à la lumière. Les circuits nerveux (peu visibles sur le fond d’œil) venant de toute la rétine convergent également vers la papille et forment alors le nerf optique.
La macula (largeur 2 mm ; hauteur 1,5 mm) est la partie de la rétine où la densité de photorécepteurs est maximale. A son centre, la [fovéa] (400 microns) est la zone utilisée pour la vision fine. Elle contient la fovéola (150 microns de diamètre soit 1° du [champ visuel]) qui permet la vision la plus précise.
* Les deux fonds d'œil droit et gauche : ils montrent la surface de la rétine, ses vaisseaux sanguins, la macula, la tâche aveugle.
* Structure de la rétine au niveau de la fovéa. Il n'y a que des cônes, serrés, chacun en lien avec le cerveau : la vision est nette et en couleurs.
* Structure de la rétine en périphérie : le regroupement des signaux des bâtonnets permet de détecter des lumières plus faibles et induit une image moins nette.
* Zones de sensibilité des cônes (S "bleu", M "vert" et L "rouge") et des bâtonnets (R) chez l'être humain, suivant les longueurs d'onde (en nm) de la lumière.

#### Les photorécepteurs de la rétine

Les photorécepteurs (cônes et bâtonnets) décomposent les informations lumineuses reçues en signaux électriques qui sont transmis au nerf optique$^,$.
Les cônes (rouge, vert, bleu) permettent la vision des couleurs et la précision de la vue (acuité visuelle) en éclairement élevé (le jour par exemple) : ils sont essentiellement positionnés au centre de la rétine et chaque cône est directement relié au cerveau.
Les bâtonnets donnent une vision (noir et blanc) en éclairement faible, plus floue (des milliers de bâtonnets peuvent être reliés à une même fibre nerveuse vers le cerveau) ; ils détectent aussi le mouvement et sont situés surtout sur la périphérie de la rétine.
Les schémas ci-dessus montrent la structure simplifiée de la rétine au niveau de la fovéa (où il n'y a que des cônes, avec une grande densité) et de la partie périphérique de la rétine (où il n'y a quasiment que des bâtonnets, avec une densité moindre). La lumière doit traverser la surface de la rétine et ses couches nerveuses avant de trouver les photorécepteurs (cônes et bâtonnets), ce qui diminue la qualité de l'image captée. Cependant, au niveau de la fovéa, sur environ 1% de la surface de la rétine, les cônes sont plus accessibles à la lumière permettant une grande acuité visuelle et la détection des couleurs$^,$.

### Annexes de l’œil

Il y a quatre annexes de l'œil :
* L'orbite est une cavité osseuse recouverte d'une membrane fibro-élastique (la périorbite), qui joue un rôle de protection ;
* Les muscles oculomoteurs servent aux déplacements ; chez l'humain, on distingue :
** quatre muscles droits : droit supérieur, droit inférieur, droit interne (ou médial) et droit externe (ou latéral),
** deux muscles obliques : grand oblique (ou oblique supérieur) et petit oblique (ou oblique inférieur) ;
* La paupière est une membrane permettant une isolation plus ou moins importante de la lumière visible, l'étalement du film de larmes, et la protection de la cornée ;
* La glande lacrymale, située en haut et en dehors, sécrète 40 % de nos larmes, le reste étant produit par des glandes accessoires.

### Pathologies oculaires

Toutes les parties de l'œil peuvent être touchées, entrainant un perturbation de la vision :
* appareil lacrymal → dacryoadénite, canaliculite, dacryocystite, etc.
* conjonctive → conjonctivite (bactérienne, fongique, parasitaire, allergique ou virale), pinguécula, ptérygion, etc.
* cornée → kératite (bactérienne, fongique, parasitaire ou virale), kératocône, gérontoxon, etc.
* cristallin → cataracte, ectopie, myopie, hypermétropie, aphakie, presbytie, astigmatisme, etc.
* muscles oculomoteurs → diplopie, parésie ou paralysie des muscles ;
* nerf optique → névrite optique, œdème papillaire, glaucome ;
* orbite → énophtalmie, exophtalmie, etc.
* paupière → ptosis, ectropion, entropion, orgelet, blépharite, tumeur, lagophtalmie, distichiasis, chalazion, etc.
* pupille → fixe, en mydriase (dilatée), en myosis (contractée), irrégulière (dont l'origine est souvent une inflammation passée ou présente de l'iris) ;
* rétine → déchirure, décollement, occlusion artérielle ou veineuse, dégénérescences (dégénérescence maculaire liée à l'âge, rétinite pigmentaire, amaurose congénitale de Leber), problèmes de vision des couleurs : daltonisme (dysfonctionnement d'un des trois types de cônes), achromatopsie (dysfonctionnement des trois types de cônes), problèmes visuels liés à l'albinisme, myodésopsie ;
* sclère → sclérite, scléromalacie perforante ou non, sclère bleue, etc.
* strabisme ;
* uvée → uvéite, colobome, etc.
* vitré → hémorragie, décollement, etc.

## Fonctionnement optique

La première modélisation de l'œil, dit « œil réduit », consiste à le considérer comme un dioptre sphérique muni d'un diaphragme et permettant de se placer dans les conditions de Gauss permettant le stigmatisme approché. Ce modèle permet de comprendre la formation des images sur la rétine et l'effet de la courbure (modifiée par le cristallin) pour l'accommodation.
La deuxième modélisation, utilisée dans des activités expérimentales, consiste à remplacer la rétine par un écran plat (feuille blanche) et l'ensemble optique (cornée/cristallin) par une lentille convergente, de distance focale image f' = 16,7 mm lorsque l'œil est au repos.
Dans certains dispositifs didactiques, la lentille est une lentille souple constituée d'une membrane plastique que l'on peut remplir plus ou moins avec de l'eau. On peut ainsi montrer l'accommodation et aborder les notions de punctum proximum et de punctum remotum.
L'utilisation d'une lentille en verre permet de modéliser l'œil normal (emmétrope, vision nette à l'infini sans accommodation) puis, en modifiant la distance écran-lentille, de modéliser la myopie (écran trop éloigné) et l'hypermétropie (écran trop près), avec la possibilité ensuite d'ajouter une lentille correctrice pour modéliser les lunettes de vue.
Voici quelques données optiques (moyennes) de l'œil :
| Structures | Rayon de courbure antérieur | Rayon de courbure postérieur | Indice de réfraction |
| Cornée | 7,8 mm | 6,8 mm | 1,377 |
| Humeur aqueuse | - | - | 1,337 |
| Cristallin | 10 mm | 6 mm | 1,413 |
| Humeur vitrée | - | - | 1,336 |
L'œil peut être réduit à un système centré avec les caractéristiques suivantes :
* distance focale image : +22 mm
* distance focale objet : -17 mm
* distance (foyer objet → face antérieure de la cornée) : +15 mm
** donc distance (face antérieure de la cornée → plans principaux) : +2 mm
** donc distance (face antérieure de la cornée → rétine) : +24 mm
* rayon de courbure : +6 mm
* puissance : D = +60 δ
* indice de réfraction : n = 1,337
* accommodation : AC = 6,667
* minimum séparable : αmin = 1' = 0,017°

## Les domaines de vision

Article détaillé : Domaines de vision.
La lumière arrivant sur la rétine est dosée par l’ouverture plus ou moins grande de la pupille (l'iris a un rôle de diaphragme optique) : s’il y a moins de lumière, la pupille est agrandie par action de l'iris, et inversement s’il y a plus de lumière l’iris rétrécit la pupille et protège au besoin de l’éblouissement.. L'être humain peut ainsi percevoir en plein soleil ou sous la lumière de la pleine lune, soit avec une intensité lumineuse 10 000 fois moindre. Une première adaptation provient de l'ouverture de la pupille qui, en mode nocturne, peut atteindre un diamètre de 7 mm pour des jeunes gens (maximum qui décroît à 4 mm avec l'âge).
En fonction des conditions d'éclairement, il est possible de distinguer trois domaines différents de vision. Voir le schéma ci-contre : Les domaines de vision.
La vision en faible éclairement (par exemple la nuit) est peu précise et en noir et blanc (seuls les bâtonnets répondent) ; elle est nommée vision scotopique.
La vision en éclairement diurne (intérieur ou extérieur) est précise et colorée (les cônes sont seuls utilisés) ; elle est nommée vision photopique. En cas de trop fort éclairement (globalement ou sur un point), il y a risque d’éblouissement et de lésion.
En éclairement moyen les cônes et les bâtonnets sont utilisés. La vision est moyennement précise et peu colorée ; elle est nommée vision mésopique.

## Les zones du champ visuel

« Le champ visuel est la zone totale dans laquelle la perception visuelle est possible lorsque la personne regarde devant elle. » Lorsque l’œil fixe un point, il détecte des lumières, des couleurs et des formes. La vision n’est cependant pas la même dans toutes les parties du champ visuel. Si on examine ce qui se passe dans le plan horizontal, en moyenne chaque œil voit : du côté du nez jusqu’à un angle de 50-60° et du côté de la tempe jusqu’à 80-90° ou plus. La vision avec les deux yeux (binoculaire) peut s’étendre, en moyenne, jusqu’à 50-60° des deux côtés et au-delà la vision est monoculaire (jusqu'à 80-90°). Voir le schéma du champ visuel (encadré) qui précise aussi : la zone dans laquelle il est possible de discriminer les couleurs (± 30°), la zone de reconnaissance des symboles (± 20°), la zone de lecture (± 10°), la zone qui correspond au point fixé par le regard et où l’acuité visuelle ainsi que la vision des couleurs sont maximales (3 à 5°).

## Aspect évolutif

La complexité de l'organe oculaire a déjà été récupérée pour discréditer le darwinisme en invoquant l'extrême improbabilité que toutes les mutations nécessaires se soient conjuguées pour en arriver à un œil hautement fonctionnel. En fait, l'évolution de l'œil s'est faite par bricolages successifs de chacune de ses parties où chaque étape se construit sur la précédente tout en constituant une amélioration par rapport à la situation antérieure. Cette succession de rapiéçages peut notamment expliquer certaines « imperfections » dans des structures complexes comme l'œil. La notion de point aveugle constitue un exemple : l'organe sensible à la lumière, la rétine, est située derrière les fibres nerveuses conduisant l'influx vers le cerveau qui donc « cachent » une partie de la rétine, d'où le nom.

## Œil électronique

Huit systèmes sont à l'étude dans les dispositifs électroniques visant à restaurer une vision déficiente. Ils dépendent de la partie de l'œil que l'on veut substituer :
* remplacement de la rétine ; des plaques contenant des milliers, voire des millions, de semi-conducteurs vont permettre de transformer la lumière en signal électrique, qui sera ensuite transmis aux fibres visuelles encore fonctionnelles ;
* remplacement du nerf optique ;
* remplacement du cortex cérébral ; l'image est enregistrée par une caméra numérique, puis transformée en signaux électriques par processeur de signal numérique ; les signaux sont transmis à des électrodes en cuivre pur qui stimulent le cortex visuel occipital.
Ces systèmes se rapportent tous au thème de l'œil bionique.