Voir la lumière : comment nos yeux et notre cerveau créent les couleurs
Lorsque nous regardons un ciel bleu, une feuille verte ou une pomme rouge, nous avons l’impression que ces couleurs existent naturellement dans le monde qui nous entoure. Pourtant, la réalité est plus fascinante : la couleur telle que nous la percevons est une interprétation construite par notre cerveau à partir de la lumière captée par nos yeux.
Pour comprendre ce phénomène, il faut partir de la lumière elle-même.
La lumière : une onde électromagnétique
La lumière fait partie du spectre électromagnétique, au même titre que les ondes radio, les micro-ondes, les infrarouges, les ultraviolets ou encore les rayons X.
Ce qui distingue ces différents rayonnements est notamment leur longueur d’onde. L’œil humain n'est sensible qu'à une toute petite partie de ce vaste spectre : la lumière visible, dont les longueurs d’onde se situent approximativement entre 380 et 700 nanomètres.
À une extrémité du spectre visible, les courtes longueurs d’onde sont généralement perçues comme du violet ou du bleu. À l’autre extrémité, les longueurs d’onde plus grandes produisent des perceptions allant vers l’orange et le rouge.
Mais il faut apporter une nuance importante : une onde électromagnétique n’est pas, en elle-même, “bleue”, “verte” ou “rouge”. Elle possède des propriétés physiques, comme sa longueur d’onde et sa fréquence. La couleur est l’expérience perceptive que notre système visuel construit à partir de ces propriétés.
La lumière qui arrive jusqu’à nos yeux
Prenons une feuille verte éclairée par le Soleil.
La lumière solaire contient de nombreuses longueurs d’onde visibles. Lorsque cette lumière atteint la feuille, certaines longueurs d’onde sont davantage absorbées par ses pigments tandis que d’autres sont davantage réfléchies.
Une partie de cette lumière réfléchie arrive jusqu’à notre œil. Elle traverse la cornée et le cristallin avant d’être focalisée sur une fine couche de tissu située au fond de l’œil : la rétine.
C’est là que commence véritablement la transformation de la lumière en information nerveuse.
Trois types de capteurs pour percevoir les couleurs
La rétine contient des cellules spécialisées appelées photorécepteurs. On en distingue principalement deux grandes catégories : les bâtonnets, particulièrement importants lorsque la luminosité est faible, et les cônes, essentiels à notre vision des couleurs.
Chez l’être humain ayant une vision trichromatique typique, il existe trois types de cônes.
On les appelle généralement :
les cônes S, plus sensibles aux courtes longueurs d’onde ;
les cônes M, plus sensibles aux longueurs d’onde intermédiaires ;
les cônes L, plus sensibles aux grandes longueurs d’onde.
On simplifie parfois leur rôle en parlant de capteurs du bleu, du vert et du rouge. Cette représentation est pratique, mais elle n’est pas tout à fait exacte. Chaque type de cône répond à une plage relativement large de longueurs d’onde, et leurs sensibilités se chevauchent fortement.
Le cerveau ne se contente donc pas de demander : « Quel capteur s’est activé ? »
Il compare plutôt le niveau d’activité relatif des trois types de cônes.
Trois capteurs, des millions de couleurs
C’est ici que le système devient particulièrement élégant.
Imaginons une lumière qui stimule fortement les cônes L, modérément les cônes M et très peu les cônes S. Une autre lumière produira une combinaison différente. Pour chaque lumière qui atteint notre rétine, nous obtenons ainsi une sorte de signature composée de trois réponses.
On pourrait la représenter de manière très simplifiée comme :
Lumière → [S, M, L] → cerveau → perception d’une couleur
Par exemple :
Lumière réfléchie par un objet → activation particulière des trois types de cônes → signaux électriques → traitement neuronal → sensation de couleur
Grâce aux différentes combinaisons possibles, trois familles de photorécepteurs suffisent à produire une extraordinaire richesse perceptive.
C’est aussi l’une des raisons pour lesquelles les écrans utilisent généralement trois composantes lumineuses : rouge, vert et bleu (RGB). En faisant varier leur intensité, un écran peut produire des stimulations suffisamment proches de celles que différentes lumières naturelles produiraient sur nos trois types de cônes.
L’œil capte, mais le cerveau interprète
La vision ne se termine pas dans la rétine.
Les photorécepteurs transforment l’énergie lumineuse en signaux biologiques. Ces informations commencent déjà à être traitées par différents circuits de la rétine, puis sont transmises au cerveau par le nerf optique.
Le cerveau analyse ensuite les relations entre les signaux provenant des différents photorécepteurs et entre différentes zones de l'image.
Autrement dit, nos yeux ne fonctionnent pas exactement comme une caméra qui enverrait au cerveau une photographie déjà terminée.
La vision est une construction active.
Le cerveau interprète continuellement les informations reçues en tenant compte du contraste, de la luminosité, des couleurs environnantes et du contexte.
C’est pourquoi une même surface peut nous sembler conserver approximativement sa couleur sous des éclairages très différents. C’est également ce qui explique certaines illusions visuelles dans lesquelles deux zones physiquement identiques nous paraissent avoir des couleurs différentes.
Alors, où se trouve réellement la couleur ?
Cette question conduit à une distinction fascinante entre physique et perception.
Dans le monde extérieur, nous pouvons mesurer des longueurs d’onde, des fréquences et des distributions d’énergie lumineuse.
Dans l’œil, nous pouvons mesurer la réponse des photorécepteurs.
Dans le cerveau, ces signaux sont comparés et transformés par des réseaux de neurones.
Et ce que nous expérimentons consciemment est… la couleur.
Le rouge que nous voyons n’est donc pas simplement une propriété isolée d’un objet. Il résulte d’une chaîne complète :
source lumineuse → interaction avec la matière → lumière atteignant l’œil → activation des photorécepteurs → traitement neuronal → perception.
La couleur se trouve ainsi à la rencontre entre le monde physique et notre système biologique.
Nous ne voyons qu’une version du monde
Cette façon de comprendre la vision révèle quelque chose d’encore plus étonnant : ce que nous voyons n’est pas une représentation complète de la réalité physique.
Nos yeux ne détectent qu’une petite fenêtre du spectre électromagnétique. Les infrarouges et les ultraviolets existent autour de nous, mais nous ne les percevons pas directement.
D’autres animaux possèdent d’ailleurs des systèmes visuels différents. Certaines espèces peuvent détecter des longueurs d’onde auxquelles nous sommes insensibles, tandis que d’autres disposent d'un nombre différent de types de photorécepteurs.
Le monde visuel que nous connaissons dépend donc en partie de l’appareil sensoriel avec lequel nous l’observons.
La couleur est une création remarquable du cerveau
Lorsque nous admirons un coucher de soleil, nous ne faisons pas que recevoir passivement des couleurs provenant du monde extérieur.
Des photons atteignent notre rétine. Trois types de cônes réagissent différemment selon la lumière reçue. Des circuits neuronaux comparent ces réponses. Des signaux parcourent le nerf optique. Plusieurs régions du cerveau les analysent.
Et de toute cette activité biologique émerge une expérience qui nous semble immédiate et naturelle : un ciel orange, une mer bleue, une forêt verte.
La physique fournit la lumière.
L’œil la détecte.
Le cerveau lui donne une signification visuelle.
Et c’est de cette rencontre entre les ondes électromagnétiques, la biologie de l’œil et l’interprétation du cerveau que naît le monde coloré que nous percevons.
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