ABSTRACT Cooperative forelimb and mouth movements during eating contribute to diet selection among vertebrates including the oromanual manipulatory skills in rodents and primates. Whereas spinal and brainstem circuits implement forelimb and orofacial actions, whether there is a specialized cortical circuit that flexibly assembles these to achieve cross-body and oromanual coordination for skilled manipulation remains unclear. Here we discover a cortical region and its cell-type-specific circuitry that orchestrates body postures and oromanual coordination for food manipulation in mice. An optogenetic screen of cortical areas and projection neuron types identified a rostral forelimb-orofacial area (RFO), wherein activation of pyramidal tract (PT Fezf2 ) and intratelencephalic (IT PlxnD1 ) neurons induced concurrent posture, forelimb and orofacial eating-like movements. In a pasta-eating behavior, RFO PT Fezf2 and IT PlxnD1 activity were closely correlated with picking up the pasta, adopting a sitting posture, oromanual manipulation, and hand-assisted biting. RFO inactivation and inhibition of RFO PTs Fezf2 and ITs PlxnD1 impaired posture and oromanual coordination, leading to deficient pasta manipulation and biting. RFO is reciprocally connected to forelimb and orofacial sensorimotor areas as well as insular and visceral areas. Within this network, ITs PlxnD1 project bilaterally to the entire network and the ventrolateral striatum and PTs Fezf2 project to multiple subcortical areas associated with forelimb and orofacial control. These results suggest that ITs PlxnD1 select and coordinate the feeding program involving multiple body parts and PTs Fezf2 implement the fine details of movements. Our study reveals a neural circuit basis of hand-mouth coordination for object manipulation.

ABSTRACT Skilled motor behaviors require orderly coordination of multiple constituent movements with sensory cues towards achieving a goal, but the underlying brain circuit mechanisms remain unclear. Here we show that target-guided reach-grasp-to-drink (RGD) in mice involves the ordering and coordination of a set of forelimb and oral actions. Cortex-wide activity imaging of multiple glutamatergic projection neuron (PN) types uncovered a network, involving the secondary motor cortex (MOs), forelimb primary motor and somatosensory cortex, that tracked RGD movements. Photo-inhibition highlighted MOs in coordinating RGD movements. Within the MOs, population neural trajectories tracked RGD progression and single neuron activities integrated across constituent movements. Notably, MOs intratelencephalic, pyramidal tract, and corticothalamic PN activities correlated with action coordination, showed distinct neural dynamics trajectories, and differentially contributed to movement coordination. Our results delineate a cortical network and key areas, PN types, and neural dynamics therein that articulate the serial order and coordination of a skilled behavior.