Équipe Daniel E. Shulz

Traitement sensori-moteur et plasticité

En bref

Le thème de recherche de notre équipe concerne les processus neuronaux responsables du traitement de l’information sensorielle et de la perception, ainsi que leur régulation à court et à long terme par l’interaction avec l’environnement. Nous nous intéressons à la propagation et l’intégration de l’information neuronale dans le cortex somatosensoriel primaire et l’émergence des propriétés collectives en réponse à des stimulations structurées spatialement. De même, nous étudions les capacités d’adaptation synaptique et fonctionnelle régies par des algorithmes de plasticité Hebbiens ou non-Hebbiens.

L’information tactile est acquise et traitée dans le cerveau par des interactions concertées entre le mouvement et la sensation. Nous étudions les processus neuronaux responsables du codage de l’information sensorimotrice en utilisant une approche globale incluant des stratégies électrophysiologiques, d’imagerie, optogénétiques et comportementales chez les rongeurs. Notre stratégie générale est de sonder le cerveau avec des entrées tactiles naturelles contrôlées in vivo, afin de mieux comprendre l’architecture fonctionnelle du système et les règles de plasticité qui sous-tendent l’apprentissage perceptuel et le contrôle moteur. Notre laboratoire est le seul au monde à avoir mis au point un stimulateur à 24 whiskers (Matrix) qui permet une déviation multidirectionnelle des whiskers à une vitesse et une accélération pertinente pour le comportement. La Matrice nous a permis d’explorer de nouveaux paradigmes qui modifient notre façon de considérer l’organisation fonctionnelle du système somatosensoriel.

Dans le cadre des neurosciences en boucle fermée, nous explorons les règles générales de l’adaptation sensorimotrice en développant des interfaces cerveau-machine utilisées comme sonde pour l’étude du code neuronal et son adaptation par apprentissage renforcé. Notre approche est originale et décalée car au lieu d’appliquer des algorithmes de décodage adaptatifs, nous fixons les algorithmes et demandons au cerveau de s’y adapter permettant l’étude des capacités de plasticité du cerveau et de l’incarnation de dispositifs externes.

Publications choisies

  • Evan R. Harrell, Matías A. Goldin, Brice Bathellier, Daniel E. Shulz (2020) An elaborate sweep-stick code in rat barrel cortex. Science Advances 6 (38):eabb7189. DOI: 10.1126/sciadv.abb7189
  • Matias A. Goldin, Evan R. Harrell, Luc Estebanez and Daniel E. Shulz (2018) Rich spatio-temporal stimulus dynamics unveil sensory specialization in cortical area S2. Nature Communications 9:4053, DOI: 10.1038/s41467-018-06585-4
  • Eugenia Vilarchao, Luc Estebanez, Daniel Shulz and Isabelle Férézou (2018) Supra-barrel distribution of directional tuning for global motion in the mouse somatosensory cortex. Cell reports, 22 no13, 3534-3547. DOI: 10.1016/j.celrep.2018.03.006
  • Luc Estebanez, Julien Bertherat, Daniel E. Shulz, Laurent Bourdieu, and Jean-François Léger (2016) A radial map of multiwhisker correlation selectivity in the rat barrel cortex. Nature Communications, 7: 13528. DOI: 10.1038/ncomms13528
  • Luc Estebanez, Sami El Boustani, Alain Destexhe and Daniel Shulz (2012) Correlated input reveals coexisting coding schemes in a sensory cortex, Nature Neuroscience 15 No12: 1691-1699. DOI: 10.1038/nn.3258
  • Vincent Jacob, Julie Le Cam, Valerie Ego-Stengel and Daniel Shulz (2008) Emergent Properties of Tactile Scenes Selectively Activate Barrel Cortex Neurons, Neuron 60: 1112-1125. DOI: 10.1016/j.neuron.2008.10.017
  • Vincent Jacob, Daniel J. Brasier, Irina Erchova, Daniel E. Feldman and Daniel Shulz (2007) Spike timing-dependent synaptic depression in the in vivo barrel cortex of the rat, J Neurosci 27: 1271-84. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.4264-06.2007
2020

• Evan Harrell, Matias Goldin, Brice Bathellier, and Daniel Shulz. An elaborate sweep-stick code in rat barrel cortex. Science Advances , 6(38):eabb7189, September 2020. doi: 10.1126/sciadv.abb7189.
• Sophie Hubatz, Guillaume Hucher, Daniel E. Shulz, and Isabelle Ferezou. Spatiotemporal properties of whisker-evoked tactile responses in the mouse secondary somatosensory cortex. Scientific Reports, 10 (1):763, January 2020. doi: 10.1038/s41598-020-57684-6.

2019

• Valérie Ego-Stengel, Aamir Abbasi, Margot Larroche, Henri Lassagne, Yves Boubenec, and Daniel E. Shulz. Mechanical coupling through the skin affects whisker movements and tactile information encoding. Journal of Neurophysiology, 122(4):1606-1622, October 2019. doi: 10.1152/jn.00863.2018.

2018

• Matias Goldin, Luc Estebanez, and Daniel E. Shulz. Rich spatio-temporal stimulus dynamics unveil sensory specialization in cortical area S2. Nature Communications, 9(1):4053, October 2018. doi: 10.1038/s41467-018-06585-4.
• Aamir Abbasi, Dorian Goueytes, Daniel E. Shulz, Valérie Ego-Stengel, and Luc Estebanez. A fast intracortical brain-machine interface with patterned optogenetic feedback. Journal of Neural Engineering, 15(4):046011, August 2018. doi: 10.1088/1741-2552/aabb80.
• Maria Eugenia Vilarchao, Luc Estebanez, Daniel E. Shulz, and Isabelle Ferezou. Supra-barrel Distribution of Directional Tuning for Global Motion in the Mouse Somatosensory Cortex. Cell Reports, 22(13):3534-3547, March 2018. doi: 10.1016/j.celrep.2018.03.006.
• Luc Estebanez, Isabelle Ferezou, Valérie Ego-Stengel, and Daniel E. Shulz. Representation of Tactile Scenes in the Rodent Barrel Cortex. Neuroscience, 368:81-94, January 2018. doi: 10.1016/j.neuroscience.2017.08.039.

2017

• Pauline Kerekes, Aurélie Daret, Daniel E. Shulz, and Valérie Ego-Stengel. Bilateral Discrimination of Tactile Patterns without Whisking in Freely Running Rats. Journal of Neuroscience, 37(32):7567-7579, August 2017. doi: 10.1523/JNEUROSCI.0528-17.2017.

2016

• Lorraine Perronnet, Maria Eugenia Vilarchao, Guillaume Hucher, Daniel E. Shulz, Gabriel Peyré, and Isabelle Ferezou. An automated workflow for the anatomo-functional mapping of the barrel cortex. Journal of Neuroscience Methods, page 11, April 2016. doi: 10.1016/j.jneumeth.2015.09.008.
• Luc Estebanez, Julien Bertherat, Daniel E. Shulz, Laurent Bourdieu, and Jean-Francois Leger. A radial map of multi-whisker correlation selectivity in the rat barrel cortex. Nature Communications, (7):13528, 2016. doi: 10.1038/ncomms13528.

2014

• Yves Boubenec, Laure Nayelie Claverie, Daniel Shulz, and Georges Debrégeas. An amplitude modulation/demodulation scheme for whisker-based texture perception. Journal of Neuroscience, 34(33):10832-43, August 2014. doi: 10.1523/JNEUROSCI.0534-14.2014.
• Pierre-Jean Arduin, Yves Frégnac, Daniel Shulz, and Valérie Ego-Stengel. Bidirectional control of a one-dimensional robotic actuator by operant conditioning of a single unit in rat motor cortex. Frontiers in Aging Neuroscience, 8(16):206, July 2014. doi: 10.3389/fnins.2014.00206.
• Luc Estebanez, Sami El Boustani, Alain Destexhe, and Daniel Shulz. [What the whiskers tell the tactile brain]. médecine/sciences, 30(1):93-8, January 2014. doi: 10.1051/medsci/20143001019.

2013

• Pierre-Jean Arduin, Yves Fréegnac, Daniel Shulz, and Valérie Ego-Stengel. « Master » neurons induced by operant conditioning in rat motor cortex during a brain-machine interface task. Journal of Neuroscience, 33(19):8308-20, May 2013. doi: 10.1523/JNEUROSCI.2744-12.2013.

2012

• Luc Estebanez, Sami El Boustani, Alain Destexhe, and Daniel Shulz. Correlated input reveals coexisting coding schemes in a sensory cortex. Nature Neuroscience, 15(12):1691-9, December 2012. doi: 10.1038/nn.3258.
• Samuel Garcia, Clément Léna, Pierre Meyrand, Christophe Pouzat, Daniel E Shulz, and Michael Zugaro. Editorial: Neuronal ensemble recordings in integrative neuroscience. Journal of Physiology – Paris, 106(3-4):57, June 2012. doi: 10.1016/j.jphysparis.2012.05.003.
• Valérie Ego-Stengel, Julie Le Cam, and Daniel Shulz. Coding of apparent motion in the thalamic nucleus of the rat vibrissal somatosensory system. Journal of Neuroscience, 32(10):3339-51, March 2012. doi: 10.1523/JNEUROSCI.3890-11.2012.
• Daniel J Calvo, Diego A Golombek, and Daniel Shulz. A celebration of Franco-Argentinean neuroscience. Journal of Physiology – Paris, 106(1-2):1, January 2012. doi: 10.1016/j.jphysparis.2012.04.001.
• Yves Boubenec, Daniel Shulz, and Georges Debrégeas. Whisker encoding of mechanical events during active tactile exploration. Frontiers in Behavioral Neuroscience, 6:74, 2012. doi: 10.3389/fnbeh.2012.00074.

2011

• Julie Le Cam, Luc Estebanez, Vincent Jacob, and Daniel Shulz. Spatial structure of multiwhisker receptive fields in the barrel cortex is stimulus dependent. Journal of Neurophysiology, 106(2): 986-98), August 2011. doi: 10.1152/jn.00044.2011.

2010

• Vincent Jacob, Luc Estebanez, Julie Le Cam, Jean-Yves Tiercelin, Patrick Parra, Gérard Parésys, and Daniel Shulz. The Matrix: a new tool for probing the whisker-to-barrel system with natural stimuli. Journal of Neuroscience Methods, 189(1):65-74, May 2010. doi: 10.1016/j.jneumeth.2010.03.020.
• Daniel Shulz and Vincent Jacob. Spike-timing-dependent plasticity in the intact brain: counteracting spurious spike coincidences. Frontiers in Synaptic Neuroscience, 2:137, 2010. doi: 10.3389/fnsyn.2010.00137.
• Yves Frégnac, Marc Pananceau, Alice René, Nazyed Huguet, Olivier Marre, Manuel Levy, and Daniel Shulz. A Re-Examination of Hebbian-Covariance Rules and Spike Timing-Dependent Plasticity in Cat Visual Cortex in vivo. Frontiers in Synaptic Neuroscience, 2:147, 2010. doi: 10.3389/fnsyn.2010.00147.

2008

• Vincent Jacob, Julie Le Cam, Valérie Ego-Stengel, and Daniel Shulz. Emergent properties of tactile scenes selectively activate barrel cortex neurons. Neuron, 60(6):1112-25, December 2008. doi: 10.1016/j.neuron.2008.10.017.

2007

• Vincent Jacob, Daniel J Brasier, Irina Erchova, Dan Feldman, and Daniel Shulz. Spike timingdependent synaptic depression in the in vivo barrel cortex of the rat. Journal of Neuroscience, 27(6):1271-84, February 2007. doi: 10.1523/JNEUROSCI.4264-06.2007.

2005

• Valerie Ego-Stengel, Tadeu Mello E. Souza, Vincent Jacob, and Daniel Shulz. Spatiotemporal characteristics of neuronal sensory integration in the barrel cortex of the rat. Journal of Neurophysiology, 93: 1450, 2005. doi: 10.1152/jn.00912.2004.

2003

• Daniel Shulz, Valérie Ego-Stengel, and Ehud Ahissar. Acetylcholine-dependent potentiation of temporal frequency representation in the barrel cortex does not depend on response magnitude during conditioning. Journal of Physiology – Paris, 97(4-6):431-9, 2003. doi: 10.1016/j.jphysparis.2004.01.001.

2002

• Valérie Ego-Stengel, Vincent Bringuier, and Daniel Shulz. Noradrenergic modulation of functional selectivity in the cat visual cortex: an in vivo extracellular and intracellular study. Neuroscience, 111 (2):275-89, 2002. doi: 10.1016/S0306-4522(02)00011-8.

2001

• Valérie Ego-Stengel, Daniel Shulz, Sebastian Haidarliu, Ronen Sosnik, and Ehud Ahissar. Acetylcholine-dependent induction and expression of functional plasticity in the barrel cortex of the adult rat. Journal of Neurophysiology, 86(1):422-37, July 2001.

2000

• Daniel Shulz. Memories of memories: the endless alteration of the engram. Neuron, 28(1):25-9, October 2000. doi: 10.1016/S0896-6273(00)00082-9.

• Daniel. E. Shulz, R. Sosnik, Valérie Ego, S. Haidarliu, and E. Ahissar. A neuronal analogue of state-dependent learning. Nature, 403(6769):549-53, February 2000. doi: 10.1038/35000586.

Chapitres de livres

• Valérie Burgos Blondelle, Jean-Gael Barbara, Buffetault Aurore, Yves Carton, Dujonc Isabelle, Yves Fregnac, Daniel Shulz, David Viterbo, and Guthleben Denis. Histoire d’une cité scientifique . In Histoire d’une cité scientifique. Le campus du CNRS à Gif-sur-Yvette (1946-2016). cnrs editions, December 2016. URL https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01557391.
• Daniel Shulz and Daniel E. Feldman. Spike Timing Dependent Plasticity in Development. In John Rubenstein (Eds) Pasko Rakic, editor, Developmental Neuroscience: A Comprehensive Reference, page Non spéciale. Academic Press, 2012. URL https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00739680.
• Daniel Shulz and Yves Frégnac. From sensation to perception. In George F. Koob, Michel Le Moal, and Richard F Thompson (Eds), editors, Encyclopedia of Behavioural Neuroscience, Volume 1, pages 550-558. Elsevier Science, 2010. URL https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00739642.
• Daniel Shulz. Neurones et apprentissage. In Gènes et culture: Enveloppe Génétique et Variabilité Culturelle, Symposium du Collège de France, 2002, page 142. Odile Jacob, September 2003. Jean-Pierre Changeux, editor. ISBN : 2738113109. URL https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00123872.