Humans manifest remarkable sensorimotor coordination abilities as showcased in the skilful performance expressed by orchestras and dance ensembles. In multi-agent interactions, sensorimotor loops that are normally involved in the control of one9s own movement must accommodate also for sensory data (e.g., visual feedback) informing about others9 movement to adjust performance and ultimately co-adapt to each other. Yet, a mechanistic understanding of how sensorimotor control comes into place to enable interpersonal coordination is still lacking. By examining movement intermittency, we here open a window into the dynamics of visuomotor loop control during interpersonal coordination. Specifically, we analysed submovements, i.e., recurrent (2-3 Hz) force pulses that are naturally engraved in our kinematics and deemed to reflect intrinsic intermittency in (visual-based) motor control. Participants were asked to synchronize rhythmic (0.25 Hz) finger flexion-extension movements. Besides synchronization at the common movement pace, finger velocity shows 2-3 Hz discontinuities that are consistently phase-locked between the two interacting partners. Notably, submovements alternate in a seemingly counterphase pattern, showing highest probability ~200ms before as well as after submovements generated by one9s partner. Further, when the real partner is replaced by an unresponsive partner - a dot moving according to a pre-recorded human kinematics - submovements systematically follow the dot submovements, indicating that movement intermittency is causally linked between partners. These results show that submovements are actively adjusted (inter-locked) during interpersonal coordination. Visuo-motor loop dynamics of interacting individuals can thus couple to optimize synchronization of the sense-and-correct process that is required for behavioural coordination.

Abstract Most animal species group together and coordinate their behavior in quite sophisticated manners for mating, hunting or defense purposes. In humans, coordination at a macroscopic level (the pacing of movements) is evident both in daily life (e.g., walking) and skilled (e.g., music and dance) behaviors. By examining the fine structure of movement, we here show that interpersonal coordination is established also at a microscopic – sub -movement – level. Natural movements appear as marked by recurrent (2-3 Hz) speed breaks, i.e., submovements, that are traditionally considered the result of intermittency in (visuo)motor control. In a series of interpersonal motor coordination tasks, we demonstrate that submovements are not independent between interacting partners but produced in a tight temporal relation that reflects the directionality in the partners’ informational coupling. These findings unveil a potential core mechanism for behavioral coordination that is based on between-persons synchronization of the intrinsic dynamics of action-perception cycles.

Abstract Cortical entrainment to the (quasi-) rhythmic components of speech seems to play an important role in speech comprehension. It has been suggested that neural entrainment may reflect top-down temporal predictions of sensory signals. Key properties of a predictive model are its anticipatory nature and its ability to reconstruct missing information. Here we put both these two properties to experimental test. We acoustically presented sentences and measured cortical entrainment to both acoustic speech envelope and lips kinematics acquired from the speaker but not visible to the participants. We then analyzed speech-brain and lips-brain coherence at multiple negative and positive lags. Besides the well-known cortical entrainment to the acoustic speech envelope, we found significant entrainment in the delta range to the (latent) lips kinematics. Most interestingly, the two entrainment phenomena were temporally dissociated. While entrainment to the acoustic speech peaked around +0.3 s lag (i.e., when EEG followed speech by 0.3 s), entrainment to the lips was significantly anticipated and peaked around 0-0.1 s lag (i.e., when EEG was virtually synchronous to the putative lips movement). Our results demonstrate that neural entrainment during speech listening involves the anticipatory reconstruction of missing information related to lips movement production, indicating its fundamentally predictive nature and thus supporting analysis by synthesis models.

Movements overtly sample sensory information, making sensory analysis an active-sensing process. In this study, we show that visual information sampling is not just locked to the (overt) movement dynamics, but it is structured by the internal (covert) dynamics of cortico-motor control. We asked human participants to perform an isometric motor task – based on proprioceptive feedback – while detecting unrelated near-threshold visual stimuli. The motor output (Force) shows zero-lag coherence with brain activity (recorded via electroencephalography) in the beta-band, as previously reported. In contrast, cortical rhythms in the alpha-band systematically forerun the motor output by 200ms. Importantly, visual detection is facilitated when cortico-motor alpha (not beta) synchronization is enhanced immediately before stimulus onset, namely at the optimal phase relationship for sensorimotor communication. These findings demonstrate an automatic gating of visual inputs by the ongoing motor control processes, providing evidence of an internal and alpha-cycling visuomotor loop.