Abstract Sequential information permeates our daily lives, such as when listening to music. These sequences are potentially abstract in that they do not depend on the exact identity of the stimuli (pitch of the notes), but on the rule that they follow (interval between them). Previously, we showed that a subregion of monkey lateral prefrontal cortex (LPFC), area 46, responds to abstract visual sequences in a manner that parallels human responses. However, area 46 has several mapped subregions and abstract sequences require of multiple stimulus features (such as stimulus and time), leaving open questions as to the specificity of responses in the LPFC. To determine the anatomical and functional specificity of abstract visual sequence responses within area 46 subregions, we used awake functional magnetic resonance imaging in three male macaque monkeys during two no-report visual tasks. One task presented images in an abstract visual sequence; the other used the same timing properties and image variation, but no sequential information. We found, using subdivisions from a multimodal parcellation of area 46, that responses to abstract visual sequences were unique to the posterior fundus of area 46, which did not respond to changes in timing or image alone. In contrast, posterior shoulder regions of area 46 showed selectivity to more concrete stimulus changes (i.e., timing and image). These results align with organizational hierarchies observed in monkeys and humans, and suggest that interactions between adjacent LPFC subregions is key scaffolding for complex daily behaviors.

Everyday task sequences, such as cooking, contain overarching goals (completing the meal), sub-goals (preparing the vegetables), and motor actions (chopping). Such tasks can be considered hierarchical as superordinate levels (e.g., goals) affect performance at subordinate levels (e.g., sub-goals and motor actions). While we execute these hierarchically organized task sequences routinely, and the effects of practice on motor actions are well known, the specific effects of practice and the presence of simultaneous motor sequences on such task sequences remain unknown. To investigate these questions, we adapted a behavioral paradigm developed to investigate the hierarchical control of abstract, or non-motor, task sequences (Desrochers, Chatham, & Badre, 2015; Schneider & Logan, 2006). Using this paradigm, we dissociated effects at the level of the sequential goal, or abstract task sequence, at the level of the sub-goal or individual tasks, and at the motor sequence level. In three experiments, participants performed memorized abstract task sequences composed of simple tasks (e.g., color and shape judgements) that were practiced, novel, or contained embedded motor sequences. We found that abstract task sequence practice selectively reduced sequence initiation control costs, and that adding motor sequences further facilitated performance. Embedded motor sequences also reduced task level control costs at task switches. Manipulating which abstract task sequences were associated with embedded motor sequences provided support that the effects of embedded motor sequences are additive, and not the result of an integrated representation produced by practice. Together these experiments provide insight into the distinct roles of practice and motor processing in efficiently executing task sequences in daily life.

Visual simulation — i.e., using internal reconstructions of the world to experience potential future versions of events that are not currently happening — is among the most sophisticated capacities of the human mind. But is this ability in fact uniquely human? To answer this question, we tested monkeys on a series of experiments involving the ‘Planko’ game, which we have previously used to evoke visual simulation in human participants. We found that monkeys were able to successfully play the game using a simulation strategy, predicting the trajectory of a ball through a field of planks while demonstrating a level of accuracy and behavioral signatures comparable to humans. Computational analyses further revealed that the monkeys’ strategy while playing Planko aligned with a recurrent neural network (RNN) that approached the task using a spontaneously learned simulation strategy. Finally, we carried out awake functional magnetic resonance imaging while monkeys played Planko. We found activity in motion-sensitive regions of the monkey brain during hypothesized simulation periods, even without any perceived visual motion cues. This neural result closely mirrors previous findings from human research, suggesting a shared mechanism of visual simulation across species. In all, these findings challenge traditional views of animal cognition, proposing that nonhuman primates possess a complex cognitive landscape, capable of invoking imaginative and predictive mental experiences to solve complex everyday problems.

Abstract In everyday life, humans must parse visual stimuli with highly variable amounts of perceptual experience, ranging from incredibly familiar to entirely new. Even when choosing a novel to buy at a bookstore, one is exposed to covers they have seen numerous times intermixed with recently released titles. Visual exposure to stimuli is known to have distinct neural correlates in the lateral prefrontal cortex (LPFC) of nonhuman primates. However, it is currently unknown if this function may be localized to specific subregions within the LPFC. Specifically, we aimed to determine whether the posterior fundus of area 46 (p46f), an area that responds to deviations from a learned sequence, also responds to less frequently presented stimuli outside of the sequential context. We compare responses in p46f to the adjacent subregion, posterior ventral area 46 (p46v), which we propose may be more likely to show exposure-dependent responses due to its proximity to known novelty responsive regions. To test whether p46f or p46v represent perceptual exposure, we performed awake functional magnetic resonance imaging (fMRI) on three male monkeys as they observed visual stimuli that varied in their number of daily presentations. Here we show that p46v, but not p46f, shows preferential activation to stimuli with low perceptual exposure, which further localizes exposure-dependent effects in monkey LPFC. These results align with previous research that has found novelty responses in ventral LPFC and are consistent with the designation of p46f as having a sequence-specific function. Further, they expand on our knowledge of the specific role of LPFC subregions and localize perceptual exposure processing within this broader brain region.

Completing sequences is a part of everyday life. Many such sequences can be considered abstract - that is, defined by a rule that governs the order but not the identity of individual steps (e.g., getting dressed for work). Over-engagement in ritualistic and repetitive behaviors seen in obsessive-compulsive disorder (OCD) suggests that abstract sequences may be disrupted in this disorder. Previous work has shown the necessity of the rostrolateral prefrontal cortex (RLPFC) for abstract sequence processing and that neural activity increases (ramps) in this region across sequences (Desrochers, Chatham, & Badre, 2015; Desrochers, Collins, & Badre, 2019). Neurobiological models of the cortico-striatal-thalamo-cortical (CSTC) loops describe prefrontal circuitry connected to RLPFC and that is believed to be dysfunctional in OCD. As a potential extension of these models, we hypothesized that neural dynamics of RLPFC could be disrupted in OCD during abstract sequence engagement. We found that neural dynamics in RLPFC did not differ between OCD and healthy controls (HCs), but that increased ramping in pregenual anterior cingulate cortex (pACC), and superior frontal sulcus (SFS) dissociates these two groups in an abstract sequence paradigm. Further, we found that anxiety and depression symptoms mediated the relationship between observed neural activity and behavioral differences observed in the task. This study highlights the importance of investigating ramping as a relevant neural dynamic during sequences and suggests expansion of current neurobiological models to include regions that support sequential behavior in OCD. Further, our results may point to novel regions to consider for neuromodulatory treatments of OCD in the future.

Abstract To engage with the world, we must regularly make predictions about the outcomes of physical scenes. How do we make these predictions? Recent evidence points to simulation - the idea that we can introspectively manipulate rich, mental models of the world - as one possible explanation for how such predictions are accomplished. While theories based on simulation are supported by computational models, neuroscientific evidence for simulation is lacking and many important questions remain. For instance, do simulations simply entail a series of abstract computations? Or are they supported by sensory representations of the objects that comprise the scene being simulated? We posit the latter and suggest that the process of simulating a sequence of physical interactions is likely to evoke an imagery-like envisioning of those interactions. Using functional magnetic resonance imaging, we demonstrate that when participants predict how a ball will fall through an obstacle-filled display, motion-sensitive brain regions are activated. We further demonstrate that this activity, which occurs even though no motion is being sensed, resembles activity patterns that arise while participants perceive the ball’s motion. This finding suggests that the process of simulating the ball’s movement is accompanied by a sensory representation of this movement. These data thus demonstrate that mental simulations recreate sensory depictions of how a physical scene is likely to unfold.