Abstract When performing movements in rapid succession, the brain needs to coordinate preparation of an upcoming action with ongoing execution. Here we identify the processes and brain areas involved in this ability. Human participants performed pairs of single-finger presses or three-finger chords in settings where they had to prepare the second movement before or after the first response. Despite matched perceptual and movement requirements, 7T functional MRI revealed increased brain activity in regions along the intra-parietal sulcus and ventral visual stream when actions overlapped. Multivariate analyses suggested that these areas were involved in stimulus identification and action selection. In contrast, the dorsal premotor cortex, known to be involved in planning upcoming movements, showed no discernible signs of heightened activity. This observation suggests that the bottleneck during simultaneous action control and preparation arises at the level of stimulus identification and action selection, whereas movement planning in the premotor cortex can unfold concurrently with execution without interference between the two processes. Summary The brain’s ability to prepare for upcoming actions while controlling ongoing movements is a crucial evolutionary adaptation of the action system. However, the neural basis of online action preparation remains largely unknown. We found that superior-parietal and occipito-temporal areas exhibited heightened activation during online preparation. Surprisingly, the dorsal premotor cortex, known to be a crucial structure in motor planning, did not display additional activation for overlapping actions. These findings imply that while motor planning within the premotor cortex can occur in parallel with the execution of ongoing movement, the parallel stimulus identification and action selection in the posterior parietal cortex requires additional neural processes. Highlights Individuals prepare upcoming actions while simultaneously controlling ongoing movement When these two processes overlap, superior-parietal and occipito-temporal areas show increased activation Multivariate analysis suggests that increased activation arises to resolve simultaneous stimulus identification and action selection The premotor cortex, known to be involved in motor planning, coordinates simultaneous planning and execution without extra neural engagement

Abstract Representational similarity analysis (RSA) summarizes activity patterns for a set of experimental conditions into a matrix composed of pairwise comparisons between activity patterns. Two examples of such matrices are the condition-by-condition inner product matrix or the correlation matrix. These representational matrices reside on the manifold of positive semidefinite matrices, called the Riemannian manifold. We hypothesize that representational similarities would be more accurately quantified by considering the underlying manifold of the representational matrices. Thus, we introduce the distance on the Riemannian manifold as a metric for comparing representations. Analyzing simulated and real fMRI data and considering a wide range of metrics, we show that the Riemannian distance is least susceptible to sampling bias, results in larger intra-subject reliability, and affords searchlight mapping with high sensitivity and specificity. Furthermore, we show that the Riemannian distance can be used for measuring multi-dimensional connectivity. This measure captures both univariate and multivariate connectivity and is also more sensitive to nonlinear regional interactions compared to the state-of-the-art measures. Applying our proposed metric to neural network representations of natural images, we demonstrate that it also possesses outstanding performance in quantifying similarity in models. Taken together, our results lend credence to the proposition that RSA should consider the manifold of the representational matrices to summarize response patterns in the brain and models.

Abstract Real world actions often comprise a series of movements that cannot be entirely planned before initiation. When these actions are executed rapidly, planning of future movements needs to occur simultaneously with ongoing execution. However, it remains unknown how the human brain solves this task and whether planning processes of subsequent movements interact. Here we introduce a new sequential reaching paradigm in humans (N=10, 7 sessions each) with a horizon manipulation that allows us to study this interaction by controlling the timing and the overlap of the planning processes for individual movements embedded in the sequence. We show that at least two future reaches are planned simultaneously with the ongoing reach. Two results indicate that these planning processes are not independent of one another. First, correcting an ongoing reach is slower when future movements are planned. Second, the curvature of the current reach is modified based on the next reach only when the planning processes of the two reaches overlap sufficiently. The interactions between future planning processes may enable smooth production of sequential actions.

Abstract When a movement sequence is repeated, the second execution is faster than the first. This demonstrates that the brain retains some trace of the just executed sequence, the earliest form of sequence memory. Currently it is unclear whether this memory trace is represented at the level (a) transitions between movements, (b) chunks of multiple movements, or (c) the entire sequence. To answer this question, we instructed human participants to generate sequences of 11 finger presses in a delayed response paradigm. From one trial to the next, segments of variable length (1, 2, 4, 6, 11) could be repeated from the previous trial. We observed that repetition benefits appeared when a segment of 4 consecutive finger presses or longer was repeated from the previous trial. This suggests that the benefit of repetition is not merely the sum of improvements in individual transitions, nor does it require the entire sequence to be repeated. The repetition benefit was small for the first transition of a repeated segment and increased with additional repetitions. This suggests that the memory supporting the repetition effect is mainly activated when a series of past movements matches the memory trace. Planned future movements had less of an effect on the repetition effect. Our results provide insight into the structure of the earliest memory traces for motor sequences. Significance Statement Many motor skills involve concatenating single movements into complex sequences. Already after a single execution of a sequence, humans retain a memory trace that accelerates the execution of the sequence if it is repeated in the next trial. Our results show a repetition benefit even when only 4 movements from the previous trial are repeated, suggesting that full sequence repetition is not necessary. Detailed analyses indicate that the memory trace is activated when the last 2-3 movements match the current execution. Our work, therefore, sheds light on the structure of the earliest sequence memory and will interest researchers studying motor skill learning and the neuronal basis of movement control.

Production of rapid movement sequences relies on preparation before (pre-planning) and during (online planning) movement. Here, we asked how different cortical sensorimotor areas contribute to these processes. Human participants performed three single-finger and three multi-finger sequences in a delayed movement paradigm. During preparation, 7T functional MRI revealed that primary motor (M1) and somatosensory (S1) areas showed pre-activation of the first movement, even though the overall activation level did not change from baseline. During production, the activity in M1 and S1 could be explained by temporal summation of activity patterns corresponding to constituent fingers. In contrast, dorsal premotor (PMd) and anterior superior parietal lobule (aSPL) showed substantial activation during preparation of multi-finger as compared to single-finger sequences. The same regions were also more activated during production of multi-finger sequences, suggesting that the same areas are involved in both pre- and online planning. Nonetheless, we observed small but robust differences between the two contrasts, suggesting preferential involvements of these areas in pre- and online planning. Multivariate analysis revealed sequence-specific representations in both PMd and aSPL, which remained stable across both preparation and production phases. This suggests that these areas maintain a sequence-specific representation before and during sequence production, likely guiding the execution-related areas.