高密度肌電和經(jīng)顱磁刺激在探究外骨骼助力突破技能天花板效應(yīng)中的應(yīng)用
外骨骼“外掛”幫助鋼琴家突破技能的“天花板效應(yīng)”-關(guān)于高密度肌電和經(jīng)顱磁刺激的研究
引言：什么是技能的天花板效應(yīng)？
在許多領(lǐng)域，盡管我們投入了大量時間和精力，成效卻往往難以突破，這種瓶頸感常常讓人感到挫敗，甚至懷疑自己的能力。類似的現(xiàn)象也出現(xiàn)在許多運動專家身上，在經(jīng)歷長時間的高強度訓(xùn)練后，他們常常會遇到技能進步停滯的困境，這一現(xiàn)象被稱為“天花板效應(yīng)”。如何突破這一瓶頸，提升技能，成為了我們在訓(xùn)練和學(xué)習(xí)中必須面對的重要挑戰(zhàn)。
實驗及結(jié)果分析
（1）行為研究第一階段：外骨骼“外掛”下鋼琴演奏技能突破
研究團隊設(shè)計了一系列精巧的實驗，以驗證外骨骼“外掛”（見圖3 A）在提升鋼琴演奏技能方面的效果。研究招募了118位專業(yè)鋼琴家，這些鋼琴家均為音樂學(xué)院的資深演奏者，早在8歲前便開始學(xué)習(xí)鋼琴，到20歲時已累計練習(xí)超過一萬小時。在第一個關(guān)鍵實驗中，30位鋼琴家被要求練習(xí)一項具有高度技術(shù)挑戰(zhàn)的任務(wù)：用右手食指和無名指同時按下間隔的琴鍵（D鍵和F鍵），然后用右手中指和小指同時按下相鄰的琴鍵（E鍵和G鍵），并反復(fù)交替演奏（見圖3 B）。這種和弦琶音式的演奏方式常出現(xiàn)在一些著名鋼琴曲目中，如肖邦的練習(xí)曲作品25第6首、拉威爾的《水妖》和貝多芬的第三鋼琴奏鳴曲第一樂章。確認(rèn)技能達(dá)到瓶頸后，研究團隊將鋼琴家們分為兩組，分別進行截然不同的被動訓(xùn)練。
一組體驗了復(fù)雜的手指動作模式——食指和無名指彎曲時，中指和小指同時伸展，然后反向運動，類似鋼琴任務(wù)的動作模式。另一組則進行較為簡單的手指運動——四個手指同時彎曲和伸展，模仿抓握動作（見圖4）。
外骨骼機器人在訓(xùn)練中使手指的運動速度達(dá)到了每秒4次，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了鋼琴家們原本能夠達(dá)到的最快速度（平均每秒2到3次）。為了確保整個過程中鋼琴家的肌肉保持放松，研究人員使用肌電圖實時監(jiān)測肌肉狀態(tài)，確保鋼琴家完全處于被動體驗狀態(tài)。
圖4 第二列展示了外骨骼“外掛”下被動訓(xùn)練前后對比的結(jié)果。 在實驗室中，在接受復(fù)雜或簡單運動模式的被動體感訓(xùn)練之前、之后立即以及之后 30 分鐘（預(yù)測試、后測試 1、后測試 2）評估按鍵任務(wù)的表現(xiàn)。* 和 + 分別表示在不同時段和不同組之間存在統(tǒng)計學(xué)顯著差異。 * 和 +：P<0.05，** 和 ++：P<0.01。經(jīng)歷復(fù)雜動作模式訓(xùn)練的鋼琴家在演奏測試中表現(xiàn)出顯著的進步，他們的按鍵間隔時間從訓(xùn)練前的434.6毫秒縮短至407.4毫秒，演奏速度顯著提高。而進行簡單動作模式訓(xùn)練的組則未見明顯改善。更令人欣喜的是，這種提升在訓(xùn)練后30分鐘仍然得以保持，甚至第二天依舊顯現(xiàn)效果！
（2）行為研究第二階段：外骨骼“外掛”下被動訓(xùn)練效果提升且跨手遷移
研究團隊隨后擴大了實驗規(guī)模，讓60位鋼琴家嘗試了5種不同的訓(xùn)練方案，包括：①快速復(fù)雜的被動訓(xùn)練(4Hz)，②快速簡單的被動訓(xùn)練(4Hz)，③慢速復(fù)雜的被動訓(xùn)練(1Hz)，④主動練習(xí)組(每秒2次按鍵)，⑤休息對照組。結(jié)果再次驗證，只有經(jīng)歷了“快速復(fù)雜”動作模式訓(xùn)練的組別才顯示出顯著進步（見圖5 A）。更令人驚訝的是，當(dāng)他們用未經(jīng)訓(xùn)練的左手演奏相同的曲目時，左手也表現(xiàn)出了類似的提升（見圖5 B），這表明訓(xùn)練效果具有跨手轉(zhuǎn)移的能力。
這些發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了我們對技能學(xué)習(xí)的傳統(tǒng)理解。一般來說，人們認(rèn)為要提升某項技能，必須通過反復(fù)的主動練習(xí)。然而，這項研究表明，即使是被動體驗，只要涉及到從未接觸過的、更快速和復(fù)雜的動作模式，也能有效突破技能的瓶頸。那么，這種令人驚訝的效果背后，究竟隱藏著怎樣的神經(jīng)機制呢？
（3）利用經(jīng)顱磁刺激探究基于神經(jīng)可塑性的腦-肌活動模式的變化
為了深入了解被動訓(xùn)練如何促進技能提升的神經(jīng)機制，研究團隊采用了經(jīng)顱磁刺激（TMS）技術(shù)。在28位鋼琴家接受被動訓(xùn)練前后，研究人員對其大腦的運動皮層進行刺激，以觀察手指運動模式的變化。實驗中，他們在大腦左右半球的初級運動皮層區(qū)域選擇了25個刺激點，構(gòu)成一個5×5的網(wǎng)格，每個點都進行了10次刺激，同時利用專門的數(shù)據(jù)手套記錄手指關(guān)節(jié)的反應(yīng)（見圖6 A）。通過運用張量分解等數(shù)學(xué)方法，研究團隊從復(fù)雜的運動數(shù)據(jù)中提取出了5種基本的運動模式（見圖6 B）。
圖6. 經(jīng)顱磁刺激實驗（A）以及手指關(guān)節(jié)運動模式示例（B）
有趣的是，接受復(fù)雜動作訓(xùn)練的鋼琴家在訓(xùn)練后，表現(xiàn)出了明顯增加的獨立運動模式比例。而進行簡單動作訓(xùn)練的組則主要表現(xiàn)為同步運動模式的減少。這種變化僅出現(xiàn)在訓(xùn)練過的右手(圖7 A)，未訓(xùn)練的左手則沒有顯示出類似的變化(圖7 B)。這一結(jié)果揭示了一個關(guān)鍵的神經(jīng)可塑性機制：被動體驗新的復(fù)雜動作模式可以重塑大腦皮層中手指運動模式的編碼，強化手指獨立控制的能力。研究人員認(rèn)為，這一變化可能通過增強感覺運動區(qū)域之間的功能連接實現(xiàn)，先前的研究已表明，刺激體感神經(jīng)元能夠激活運動皮層中的神經(jīng)元。
值得注意的是，盡管未經(jīng)訓(xùn)練的左手也顯示出了性能提升，但其運動皮層中的運動模式并未發(fā)生變化。這表明，除了已知的機制外，其他腦區(qū)（如輔助運動區(qū)）可能也參與了這一跨手轉(zhuǎn)移效應(yīng)。
另一個有趣的發(fā)現(xiàn)來自多通道表面肌電信號的分析。研究人員觀察到，經(jīng)過復(fù)雜動作訓(xùn)練后，鋼琴家的肌肉協(xié)調(diào)模式發(fā)生了明顯變化：肌肉活動的時間提前，活動幅度減小，表明神經(jīng)肌肉控制變得更加高效。這一變化可能反映了大腦在感覺運動規(guī)劃方面的更新，即被動體驗幫助大腦建立了新的“感覺目標(biāo)”，從而指導(dǎo)更迅速的運動表現(xiàn)。
總結(jié)啟發(fā)與未來展望
總之，研究人員采用了一款手部外骨骼機器人，該機器人能夠獨立并迅速地操控手指，使鋼琴家體驗到比自主演奏更高速度和復(fù)雜度的手指運動。這種前所未有的訓(xùn)練方式有效打破了鋼琴家在手指動作上的技能瓶頸，并顯著提升了演奏速度。此外，研究還揭示，經(jīng)過訓(xùn)練的手指表現(xiàn)得到改善的同時，未經(jīng)過訓(xùn)練的手指也因為“跨手訓(xùn)練效應(yīng)”而有所提升。通過對神經(jīng)生理數(shù)據(jù)的分析，研究表明，這種訓(xùn)練方式能夠促使神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生可塑性變化，從而優(yōu)化復(fù)雜的運動技能。
這項研究不僅在實踐上為突破技能瓶頸提供了新思路，也為我們理解神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性提供了全新的視角。它揭示了，即使是高度熟練的技能，也可以通過接觸全新的感覺體驗得到提升。這一發(fā)現(xiàn)對于音樂教育、運動訓(xùn)練乃至神經(jīng)康復(fù)等領(lǐng)域，具有深遠(yuǎn)的啟發(fā)意義。
這種外骨骼輔助訓(xùn)練系統(tǒng)有望在多個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用：它不僅能幫助音樂家提高演奏水平，還可能用于康復(fù)訓(xùn)練，甚至促進教師與學(xué)生之間的觸覺技能傳遞。然而，這項研究也提出了一些新的問題：為何傳統(tǒng)的主動練習(xí)無法產(chǎn)生類似的效果？這種被動訓(xùn)練的最佳頻率和時長應(yīng)如何確定？這些問題亟需未來的研究進一步探討。最后，當(dāng)我們遇到技能瓶頸時，或許可以思考是否有類似的方式來體驗全新的技能，這可能會成為突破自身局限的關(guān)鍵。
原文鏈接
Furuya S, Oku T, Nishioka H, et al. Surmounting the ceiling effect of motor expertise by novel sensory experience with a hand exoskeleton[J]. Science Robotics, 2025, 10(98): eadn3802.
https://doi:10.1126/scirobotics.adn3802
作者和課題組介紹
該項工作的一作和通訊是平野正人（Shiinichi Furuya），研究受到日本學(xué)術(shù)振興會：轉(zhuǎn)化研究領(lǐng)域金B(yǎng)（20H05713），日本科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)：CREST (JPMJCR17A3)，登月研究與發(fā)展計劃：JPMJMS2012的資助。
關(guān)于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術(shù)有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學(xué)、康復(fù)工程、人因工程、心理學(xué)、體育科學(xué)等領(lǐng)域的科研解決方案供應(yīng)商。公司與國內(nèi)外多所大學(xué)、研究機構(gòu)、企業(yè)長期保持合作關(guān)系，致力于將優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、先進的技術(shù)和服務(wù)帶給各個領(lǐng)域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務(wù)，協(xié)助用戶的科研工作，持續(xù)提升使用體驗。
相關(guān)產(chǎn)品
引言：什么是技能的天花板效應(yīng)？
在許多領(lǐng)域，盡管我們投入了大量時間和精力，成效卻往往難以突破，這種瓶頸感常常讓人感到挫敗，甚至懷疑自己的能力。類似的現(xiàn)象也出現(xiàn)在許多運動專家身上，在經(jīng)歷長時間的高強度訓(xùn)練后，他們常常會遇到技能進步停滯的困境，這一現(xiàn)象被稱為“天花板效應(yīng)”。如何突破這一瓶頸，提升技能，成為了我們在訓(xùn)練和學(xué)習(xí)中必須面對的重要挑戰(zhàn)。
圖1. 文章對應(yīng)雜志封面
假如存在某種物理“外掛”能夠讓你體驗全新的運動技能，那么突破“天花板效應(yīng)”將變得更加可行。為了幫助鋼琴家克服技能的瓶頸，日本索尼計算機科學(xué)實驗室聯(lián)合日本京都神經(jīng)鋼琴研究所研發(fā)了一種專門的手部外骨骼機器人,相關(guān)文章被發(fā)表在《Science Robotics》雜志，題為“Surmounting the ceiling effect of motor expertise by novel sensory experience with a hand exoskeleton”。這種外骨骼機器人通過幫助鋼琴專家體驗前所未有的運動模式，成功地幫助他們突破了鋼琴演奏技能的瓶頸。該研究成果最終登上了《Science Robotics》雜志的封面。圖2. 文章信息
實驗及結(jié)果分析
（1）行為研究第一階段：外骨骼“外掛”下鋼琴演奏技能突破
研究團隊設(shè)計了一系列精巧的實驗，以驗證外骨骼“外掛”（見圖3 A）在提升鋼琴演奏技能方面的效果。研究招募了118位專業(yè)鋼琴家，這些鋼琴家均為音樂學(xué)院的資深演奏者，早在8歲前便開始學(xué)習(xí)鋼琴，到20歲時已累計練習(xí)超過一萬小時。在第一個關(guān)鍵實驗中，30位鋼琴家被要求練習(xí)一項具有高度技術(shù)挑戰(zhàn)的任務(wù)：用右手食指和無名指同時按下間隔的琴鍵（D鍵和F鍵），然后用右手中指和小指同時按下相鄰的琴鍵（E鍵和G鍵），并反復(fù)交替演奏（見圖3 B）。這種和弦琶音式的演奏方式常出現(xiàn)在一些著名鋼琴曲目中，如肖邦的練習(xí)曲作品25第6首、拉威爾的《水妖》和貝多芬的第三鋼琴奏鳴曲第一樂章。確認(rèn)技能達(dá)到瓶頸后，研究團隊將鋼琴家們分為兩組，分別進行截然不同的被動訓(xùn)練。
圖3. 手部外骨骼機器人（A）和復(fù)雜運動模式的鋼琴任務(wù)（B）
一組體驗了復(fù)雜的手指動作模式——食指和無名指彎曲時，中指和小指同時伸展，然后反向運動，類似鋼琴任務(wù)的動作模式。另一組則進行較為簡單的手指運動——四個手指同時彎曲和伸展，模仿抓握動作（見圖4）。
外骨骼機器人在訓(xùn)練中使手指的運動速度達(dá)到了每秒4次，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了鋼琴家們原本能夠達(dá)到的最快速度（平均每秒2到3次）。為了確保整個過程中鋼琴家的肌肉保持放松，研究人員使用肌電圖實時監(jiān)測肌肉狀態(tài)，確保鋼琴家完全處于被動體驗狀態(tài)。
圖4. 復(fù)雜動作訓(xùn)練和簡單動作訓(xùn)練前后結(jié)果對比
圖4 第二列展示了外骨骼“外掛”下被動訓(xùn)練前后對比的結(jié)果。 在實驗室中，在接受復(fù)雜或簡單運動模式的被動體感訓(xùn)練之前、之后立即以及之后 30 分鐘（預(yù)測試、后測試 1、后測試 2）評估按鍵任務(wù)的表現(xiàn)。* 和 + 分別表示在不同時段和不同組之間存在統(tǒng)計學(xué)顯著差異。 * 和 +：P<0.05，** 和 ++：P<0.01。經(jīng)歷復(fù)雜動作模式訓(xùn)練的鋼琴家在演奏測試中表現(xiàn)出顯著的進步，他們的按鍵間隔時間從訓(xùn)練前的434.6毫秒縮短至407.4毫秒，演奏速度顯著提高。而進行簡單動作模式訓(xùn)練的組則未見明顯改善。更令人欣喜的是，這種提升在訓(xùn)練后30分鐘仍然得以保持，甚至第二天依舊顯現(xiàn)效果！
（2）行為研究第二階段：外骨骼“外掛”下被動訓(xùn)練效果提升且跨手遷移
研究團隊隨后擴大了實驗規(guī)模，讓60位鋼琴家嘗試了5種不同的訓(xùn)練方案，包括：①快速復(fù)雜的被動訓(xùn)練(4Hz)，②快速簡單的被動訓(xùn)練(4Hz)，③慢速復(fù)雜的被動訓(xùn)練(1Hz)，④主動練習(xí)組(每秒2次按鍵)，⑤休息對照組。結(jié)果再次驗證，只有經(jīng)歷了“快速復(fù)雜”動作模式訓(xùn)練的組別才顯示出顯著進步（見圖5 A）。更令人驚訝的是，當(dāng)他們用未經(jīng)訓(xùn)練的左手演奏相同的曲目時，左手也表現(xiàn)出了類似的提升（見圖5 B），這表明訓(xùn)練效果具有跨手轉(zhuǎn)移的能力。
圖5. 外骨骼“外掛”下不同訓(xùn)練模式訓(xùn)練前后對比
這些發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了我們對技能學(xué)習(xí)的傳統(tǒng)理解。一般來說，人們認(rèn)為要提升某項技能，必須通過反復(fù)的主動練習(xí)。然而，這項研究表明，即使是被動體驗，只要涉及到從未接觸過的、更快速和復(fù)雜的動作模式，也能有效突破技能的瓶頸。那么，這種令人驚訝的效果背后，究竟隱藏著怎樣的神經(jīng)機制呢？
（3）利用經(jīng)顱磁刺激探究基于神經(jīng)可塑性的腦-肌活動模式的變化
為了深入了解被動訓(xùn)練如何促進技能提升的神經(jīng)機制，研究團隊采用了經(jīng)顱磁刺激（TMS）技術(shù)。在28位鋼琴家接受被動訓(xùn)練前后，研究人員對其大腦的運動皮層進行刺激，以觀察手指運動模式的變化。實驗中，他們在大腦左右半球的初級運動皮層區(qū)域選擇了25個刺激點，構(gòu)成一個5×5的網(wǎng)格，每個點都進行了10次刺激，同時利用專門的數(shù)據(jù)手套記錄手指關(guān)節(jié)的反應(yīng)（見圖6 A）。通過運用張量分解等數(shù)學(xué)方法，研究團隊從復(fù)雜的運動數(shù)據(jù)中提取出了5種基本的運動模式（見圖6 B）。
圖6. 經(jīng)顱磁刺激實驗（A）以及手指關(guān)節(jié)運動模式示例（B）
有趣的是，接受復(fù)雜動作訓(xùn)練的鋼琴家在訓(xùn)練后，表現(xiàn)出了明顯增加的獨立運動模式比例。而進行簡單動作訓(xùn)練的組則主要表現(xiàn)為同步運動模式的減少。這種變化僅出現(xiàn)在訓(xùn)練過的右手(圖7 A)，未訓(xùn)練的左手則沒有顯示出類似的變化(圖7 B)。這一結(jié)果揭示了一個關(guān)鍵的神經(jīng)可塑性機制：被動體驗新的復(fù)雜動作模式可以重塑大腦皮層中手指運動模式的編碼，強化手指獨立控制的能力。研究人員認(rèn)為，這一變化可能通過增強感覺運動區(qū)域之間的功能連接實現(xiàn)，先前的研究已表明，刺激體感神經(jīng)元能夠激活運動皮層中的神經(jīng)元。
值得注意的是，盡管未經(jīng)訓(xùn)練的左手也顯示出了性能提升，但其運動皮層中的運動模式并未發(fā)生變化。這表明，除了已知的機制外，其他腦區(qū)（如輔助運動區(qū)）可能也參與了這一跨手轉(zhuǎn)移效應(yīng)。
圖7. 經(jīng)顱磁刺激（TMS）誘發(fā)的右手（A）和左手（B）手指運動模式結(jié)果
另一個有趣的發(fā)現(xiàn)來自多通道表面肌電信號的分析。研究人員觀察到，經(jīng)過復(fù)雜動作訓(xùn)練后，鋼琴家的肌肉協(xié)調(diào)模式發(fā)生了明顯變化：肌肉活動的時間提前，活動幅度減小，表明神經(jīng)肌肉控制變得更加高效。這一變化可能反映了大腦在感覺運動規(guī)劃方面的更新，即被動體驗幫助大腦建立了新的“感覺目標(biāo)”，從而指導(dǎo)更迅速的運動表現(xiàn)。
總結(jié)啟發(fā)與未來展望
總之，研究人員采用了一款手部外骨骼機器人，該機器人能夠獨立并迅速地操控手指，使鋼琴家體驗到比自主演奏更高速度和復(fù)雜度的手指運動。這種前所未有的訓(xùn)練方式有效打破了鋼琴家在手指動作上的技能瓶頸，并顯著提升了演奏速度。此外，研究還揭示，經(jīng)過訓(xùn)練的手指表現(xiàn)得到改善的同時，未經(jīng)過訓(xùn)練的手指也因為“跨手訓(xùn)練效應(yīng)”而有所提升。通過對神經(jīng)生理數(shù)據(jù)的分析，研究表明，這種訓(xùn)練方式能夠促使神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生可塑性變化，從而優(yōu)化復(fù)雜的運動技能。
這項研究不僅在實踐上為突破技能瓶頸提供了新思路，也為我們理解神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性提供了全新的視角。它揭示了，即使是高度熟練的技能，也可以通過接觸全新的感覺體驗得到提升。這一發(fā)現(xiàn)對于音樂教育、運動訓(xùn)練乃至神經(jīng)康復(fù)等領(lǐng)域，具有深遠(yuǎn)的啟發(fā)意義。
這種外骨骼輔助訓(xùn)練系統(tǒng)有望在多個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用：它不僅能幫助音樂家提高演奏水平，還可能用于康復(fù)訓(xùn)練，甚至促進教師與學(xué)生之間的觸覺技能傳遞。然而，這項研究也提出了一些新的問題：為何傳統(tǒng)的主動練習(xí)無法產(chǎn)生類似的效果？這種被動訓(xùn)練的最佳頻率和時長應(yīng)如何確定？這些問題亟需未來的研究進一步探討。最后，當(dāng)我們遇到技能瓶頸時，或許可以思考是否有類似的方式來體驗全新的技能，這可能會成為突破自身局限的關(guān)鍵。
原文鏈接
Furuya S, Oku T, Nishioka H, et al. Surmounting the ceiling effect of motor expertise by novel sensory experience with a hand exoskeleton[J]. Science Robotics, 2025, 10(98): eadn3802.
https://doi:10.1126/scirobotics.adn3802
作者和課題組介紹
該項工作的一作和通訊是平野正人（Shiinichi Furuya），研究受到日本學(xué)術(shù)振興會：轉(zhuǎn)化研究領(lǐng)域金B(yǎng)（20H05713），日本科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)：CREST (JPMJCR17A3)，登月研究與發(fā)展計劃：JPMJMS2012的資助。
關(guān)于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術(shù)有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學(xué)、康復(fù)工程、人因工程、心理學(xué)、體育科學(xué)等領(lǐng)域的科研解決方案供應(yīng)商。公司與國內(nèi)外多所大學(xué)、研究機構(gòu)、企業(yè)長期保持合作關(guān)系，致力于將優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、先進的技術(shù)和服務(wù)帶給各個領(lǐng)域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務(wù)，協(xié)助用戶的科研工作，持續(xù)提升使用體驗。
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