高密度肌電和經顱磁刺激在探究外骨骼助力突破技能天花板效應中的應用
外骨骼“外掛”幫助鋼琴家突破技能的“天花板效應”-關于高密度肌電和經顱磁刺激的研究
引言：什么是技能的天花板效應？
在許多領域，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。類似的現象也出現在許多運動專家身上，在經歷長時間的高強度訓練后，他們常常會遇到技能進步停滯的困境，這一現象被稱為“天花板效應”。如何突破這一瓶頸，提升技能，成為了我們在訓練和學習中必須面對的重要挑戰。
實驗及結果分析
（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位專業鋼琴家，這些鋼琴家均為音樂學院的資深演奏者，早在8歲前便開始學習鋼琴，到20歲時已累計練習超過一萬小時。在第一個關鍵實驗中，30位鋼琴家被要求練習一項具有高度技術挑戰的任務：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），并反復交替演奏（見圖3 B）。這種和弦琶音式的演奏方式常出現在一些著名鋼琴曲目中，如肖邦的練習曲作品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。確認技能達到瓶頸后，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練。
一組體驗了復雜的手指動作模式——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）。
外骨骼機器人在訓練中使手指的運動速度達到了每秒4次，遠遠超出了鋼琴家們原本能夠達到的最快速度（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測肌肉狀態，確保鋼琴家完全處于被動體驗狀態。
圖4 第二列展示了外骨骼“外掛”下被動訓練前后對比的結果。 在實驗室中，在接受復雜或簡單運動模式的被動體感訓練之前、之后立即以及之后 30 分鐘（預測試、后測試 1、后測試 2）評估按鍵任務的表現。* 和 + 分別表示在不同時段和不同組之間存在統計學顯著差異。 * 和 +：P<0.05，** 和 ++：P<0.01。經歷復雜動作模式訓練的鋼琴家在演奏測試中表現出顯著的進步，他們的按鍵間隔時間從訓練前的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練的組則未見明顯改善。更令人欣喜的是，這種提升在訓練后30分鐘仍然得以保持，甚至第二天依舊顯現效果！
（2）行為研究第二階段：外骨骼“外掛”下被動訓練效果提升且跨手遷移
研究團隊隨后擴大了實驗規模，讓60位鋼琴家嘗試了5種不同的訓練方案，包括：①快速復雜的被動訓練(4Hz)，②快速簡單的被動訓練(4Hz)，③慢速復雜的被動訓練(1Hz)，④主動練習組(每秒2次按鍵)，⑤休息對照組。結果再次驗證，只有經歷了“快速復雜”動作模式訓練的組別才顯示出顯著進步（見圖5 A）。更令人驚訝的是，當他們用未經訓練的左手演奏相同的曲目時，左手也表現出了類似的提升（見圖5 B），這表明訓練效果具有跨手轉移的能力。
這些發現挑戰了我們對技能學習的傳統理解。一般來說，人們認為要提升某項技能，必須通過反復的主動練習。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機制呢？
（3）利用經顱磁刺激探究基于神經可塑性的腦-肌活動模式的變化
為了深入了解被動訓練如何促進技能提升的神經機制，研究團隊采用了經顱磁刺激（TMS）技術。在28位鋼琴家接受被動訓練前后，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域選擇了25個刺激點，構成一個5×5的網格，每個點都進行了10次刺激，同時利用專門的數據手套記錄手指關節的反應（見圖6 A）。通過運用張量分解等數學方法，研究團隊從復雜的運動數據中提取出了5種基本的運動模式（見圖6 B）。
圖6. 經顱磁刺激實驗（A）以及手指關節運動模式示例（B）
有趣的是，接受復雜動作訓練的鋼琴家在訓練后，表現出了明顯增加的獨立運動模式比例。而進行簡單動作訓練的組則主要表現為同步運動模式的減少。這種變化僅出現在訓練過的右手(圖7 A)，未訓練的左手則沒有顯示出類似的變化(圖7 B)。這一結果揭示了一個關鍵的神經可塑性機制：被動體驗新的復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。研究人員認為，這一變化可能通過增強感覺運動區域之間的功能連接實現，先前的研究已表明，刺激體感神經元能夠激活運動皮層中的神經元。
值得注意的是，盡管未經訓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生變化。這表明，除了已知的機制外，其他腦區（如輔助運動區）可能也參與了這一跨手轉移效應。
另一個有趣的發現來自多通道表面肌電信號的分析。研究人員觀察到，經過復雜動作訓練后，鋼琴家的肌肉協調模式發生了明顯變化：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劃方面的更新，即被動體驗幫助大腦建立了新的“感覺目標”，從而指導更迅速的運動表現。
總結啟發與未來展望
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雜度的手指運動。這種前所未有的訓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，經過訓練的手指表現得到改善的同時，未經過訓練的手指也因為“跨手訓練效應”而有所提升。通過對神經生理數據的分析，研究表明，這種訓練方式能夠促使神經系統產生可塑性變化，從而優化復雜的運動技能。
這項研究不僅在實踐上為突破技能瓶頸提供了新思路，也為我們理解神經系統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。這一發現對于音樂教育、運動訓練乃至神經康復等領域，具有深遠的啟發意義。
這種外骨骼輔助訓練系統有望在多個領域發揮重要作用：它不僅能幫助音樂家提高演奏水平，還可能用于康復訓練，甚至促進教師與學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：為何傳統的主動練習無法產生類似的效果？這種被動訓練的最佳頻率和時長應如何確定？這些問題亟需未來的研究進一步探討。最后，當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），研究受到日本學術振興會：轉化研究領域金B（20H05713），日本科學技術振興機構：CREST (JPMJCR17A3)，登月研究與發展計劃：JPMJMS2012的資助。
關于維拓啟創
維拓啟創（北京）信息技術有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學、康復工程、人因工程、心理學、體育科學等領域的科研解決方案供應商。公司與國內外多所大學、研究機構、企業長期保持合作關系，致力于將優質的產品、先進的技術和服務帶給各個領域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務，協助用戶的科研工作，持續提升使用體驗。
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引言：什么是技能的天花板效應？
在許多領域，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。類似的現象也出現在許多運動專家身上，在經歷長時間的高強度訓練后，他們常常會遇到技能進步停滯的困境，這一現象被稱為“天花板效應”。如何突破這一瓶頸，提升技能，成為了我們在訓練和學習中必須面對的重要挑戰。
圖1. 文章對應雜志封面
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”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實驗室聯合日本京都神經鋼琴研究所研發了一種專門的手部外骨骼機器人,相關文章被發表在《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位專業鋼琴家，這些鋼琴家均為音樂學院的資深演奏者，早在8歲前便開始學習鋼琴，到20歲時已累計練習超過一萬小時。在第一個關鍵實驗中，30位鋼琴家被要求練習一項具有高度技術挑戰的任務：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），并反復交替演奏（見圖3 B）。這種和弦琶音式的演奏方式常出現在一些著名鋼琴曲目中，如肖邦的練習曲作品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。確認技能達到瓶頸后，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練。
圖3. 手部外骨骼機器人（A）和復雜運動模式的鋼琴任務（B）
一組體驗了復雜的手指動作模式——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）。
外骨骼機器人在訓練中使手指的運動速度達到了每秒4次，遠遠超出了鋼琴家們原本能夠達到的最快速度（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測肌肉狀態，確保鋼琴家完全處于被動體驗狀態。
圖4. 復雜動作訓練和簡單動作訓練前后結果對比
圖4 第二列展示了外骨骼“外掛”下被動訓練前后對比的結果。 在實驗室中，在接受復雜或簡單運動模式的被動體感訓練之前、之后立即以及之后 30 分鐘（預測試、后測試 1、后測試 2）評估按鍵任務的表現。* 和 + 分別表示在不同時段和不同組之間存在統計學顯著差異。 * 和 +：P<0.05，** 和 ++：P<0.01。經歷復雜動作模式訓練的鋼琴家在演奏測試中表現出顯著的進步，他們的按鍵間隔時間從訓練前的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練的組則未見明顯改善。更令人欣喜的是，這種提升在訓練后30分鐘仍然得以保持，甚至第二天依舊顯現效果！
（2）行為研究第二階段：外骨骼“外掛”下被動訓練效果提升且跨手遷移
研究團隊隨后擴大了實驗規模，讓60位鋼琴家嘗試了5種不同的訓練方案，包括：①快速復雜的被動訓練(4Hz)，②快速簡單的被動訓練(4Hz)，③慢速復雜的被動訓練(1Hz)，④主動練習組(每秒2次按鍵)，⑤休息對照組。結果再次驗證，只有經歷了“快速復雜”動作模式訓練的組別才顯示出顯著進步（見圖5 A）。更令人驚訝的是，當他們用未經訓練的左手演奏相同的曲目時，左手也表現出了類似的提升（見圖5 B），這表明訓練效果具有跨手轉移的能力。
圖5. 外骨骼“外掛”下不同訓練模式訓練前后對比
這些發現挑戰了我們對技能學習的傳統理解。一般來說，人們認為要提升某項技能，必須通過反復的主動練習。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機制呢？
（3）利用經顱磁刺激探究基于神經可塑性的腦-肌活動模式的變化
為了深入了解被動訓練如何促進技能提升的神經機制，研究團隊采用了經顱磁刺激（TMS）技術。在28位鋼琴家接受被動訓練前后，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域選擇了25個刺激點，構成一個5×5的網格，每個點都進行了10次刺激，同時利用專門的數據手套記錄手指關節的反應（見圖6 A）。通過運用張量分解等數學方法，研究團隊從復雜的運動數據中提取出了5種基本的運動模式（見圖6 B）。
圖6. 經顱磁刺激實驗（A）以及手指關節運動模式示例（B）
有趣的是，接受復雜動作訓練的鋼琴家在訓練后，表現出了明顯增加的獨立運動模式比例。而進行簡單動作訓練的組則主要表現為同步運動模式的減少。這種變化僅出現在訓練過的右手(圖7 A)，未訓練的左手則沒有顯示出類似的變化(圖7 B)。這一結果揭示了一個關鍵的神經可塑性機制：被動體驗新的復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。研究人員認為，這一變化可能通過增強感覺運動區域之間的功能連接實現，先前的研究已表明，刺激體感神經元能夠激活運動皮層中的神經元。
值得注意的是，盡管未經訓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生變化。這表明，除了已知的機制外，其他腦區（如輔助運動區）可能也參與了這一跨手轉移效應。
圖7. 經顱磁刺激（TMS）誘發的右手（A）和左手（B）手指運動模式結果
另一個有趣的發現來自多通道表面肌電信號的分析。研究人員觀察到，經過復雜動作訓練后，鋼琴家的肌肉協調模式發生了明顯變化：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劃方面的更新，即被動體驗幫助大腦建立了新的“感覺目標”，從而指導更迅速的運動表現。
總結啟發與未來展望
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雜度的手指運動。這種前所未有的訓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，經過訓練的手指表現得到改善的同時，未經過訓練的手指也因為“跨手訓練效應”而有所提升。通過對神經生理數據的分析，研究表明，這種訓練方式能夠促使神經系統產生可塑性變化，從而優化復雜的運動技能。
這項研究不僅在實踐上為突破技能瓶頸提供了新思路，也為我們理解神經系統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。這一發現對于音樂教育、運動訓練乃至神經康復等領域，具有深遠的啟發意義。
這種外骨骼輔助訓練系統有望在多個領域發揮重要作用：它不僅能幫助音樂家提高演奏水平，還可能用于康復訓練，甚至促進教師與學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：為何傳統的主動練習無法產生類似的效果？這種被動訓練的最佳頻率和時長應如何確定？這些問題亟需未來的研究進一步探討。最后，當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），研究受到日本學術振興會：轉化研究領域金B（20H05713），日本科學技術振興機構：CREST (JPMJCR17A3)，登月研究與發展計劃：JPMJMS2012的資助。
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維拓啟創（北京）信息技術有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學、康復工程、人因工程、心理學、體育科學等領域的科研解決方案供應商。公司與國內外多所大學、研究機構、企業長期保持合作關系，致力于將優質的產品、先進的技術和服務帶給各個領域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務，協助用戶的科研工作，持續提升使用體驗。
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