ARTICLE / ARTICLE Basal ganglia neural mechanisms of natural movement sequences 1 J. Wayne Aldridge, Kent C. Berridge, and Alyssa R. Rosen Abstract: Natural rodent grooming and other instinctive behavior serves as a natural model of complex movement se- quences. Rodent grooming has syntactic (rule-driven) sequences and more random movement patterns. Both incorporate the same movements—only the serial structure differs. Recordings of neural activity in the dorsolateral striatum and the substantia nigra pars reticulata indicate preferential activation during syntactic sequences over more random sequences. Neurons that are responsive during syntactic grooming sequences are often unresponsive or have reverse activation pro- files during kinematically similar movements that occur in flexible or random grooming sequences. Few neurons could be categorized as strictly movement related—instead they were activated only in the context of particular sequential patterns of movements. Particular sequential patterns included “syntactic chain” grooming sequences of paw, head, and body movements and also “warm-up” sequences, which consist of head and body/limb movements that precede loco- motion after a period of quiet resting (Golani 1992). Activation during warm-up was less intense and less frequent than during grooming sequences, but both sequences activated neurons above baseline levels, and the same neurons some- times responded to both sequences. The fact that striatal neurons code 2 natural sequences which are made up of dif- ferent constituent movements suggests that the basal ganglia may have a generalized role in sequence control. The basal ganglia are modulated by the context of the sequence and may play an executive function in the complex natural patterns of sequenced behaviour. Key words: movement, basal ganglia, striatum, movement sequences, sensorimotor behaviour. 739 Résumé : La toilette qu’effectuent naturellement les rongeurs ainsi que d’autres comportements instinctifs servent de modèle naturel de séquences de mouvement complexes. La toilette des rongeurs comporte des séquences syntaxiques (dérivant de règles) et des mouvements effectués au hasard. Il s’agit dans les 2 cas des mêmes mouvements : seule la structure sérielle diffère. Les enregistrements de l’activité neurale dans le striatrum dorsolatéral et la substance noire pars reticulata indiquent une activation préférentielle pendant les séquences syntaxiques plutôt que pendant les séquen- ces aléatoires. Les neurones qui réagissent pendant les séquences syntaxiques souvent ne réagissent pas ou ont des pro- fils d’activation inversés pendant des mouvements cinématiquement similaires qui se produisent au cours de séquences flexibles ou aléatoires. Peu de neurones ont pu être associés strictement au mouvement; ils ne sont plutôt activés que dans le contexte de séries séquentielles particulières de mouvements. Les séries séquentielles particulières incluent la « chaîne syntaxique » de la toilette des pattes, de la tête et du corps ainsi que les séquences de « réchauffement », formées des mouvements de la tête et du corps et des membres qui précèdent la locomotion après une période de repos (Golani 1992). L’activation pendant le réchauffement était moins intense et moins fréquente que pendant les séquences de toilette, mais la quantité de neurones activés pour les 2 séquences dépassait les niveaux de base, et ces mêmes neu- rones réagissaient parfois aux 2 séquences. Le fait que les neurones striataux codent 2 séquences naturelles, composées de mouvements différents, semble indiquer que les noyaux gris centraux jouent un rôle généralisé dans le contrôle de la séquence. Les noyaux gris centraux sont modulés par le contexte de la séquence et remplissent peut-être une Can. J. Physiol. Pharmacol. 82: 732–739 (2004) doi: 10.1139/Y04-061 © 2004 NRC Canada 732 Received 27 January 2004. Accepted 24 June 2004. Published on the NRC Research Press Web site at http://cjpp.nrc.ca on 22 October 2004. J.W. Aldridge 2,3 Department of Neurology and Department of Psychology, University of Michigan, 1150 West Medical Center Drive, Medical Science Bldg. I, Room 3317, Ann Arbor, MI 49109–0607, USA. K.C. Berridge Department of Psychology, University of Michigan, 1150 West Medical Center Drive, Medical Science Bldg. I, Room 3317, Ann Arbor, MI 49109–0607, USA. A.R. Rosen Department of Neurology, University of Michigan, 1150 West Medical Center Drive, Medical Science Bldg. I, Room 3317, Ann Arbor, MI 49109–0607, USA. 1 This paper is one of a selection of papers published in this Special Issue, entitled Nerve, muscle, and beyond: the R.B. Stein Symposium. 2 Corresponding author (email: jwayne@umich.edu). 3 Present address: Harvard Medical School, 260 Longwood Ave., Boston, MA 02115, USA.