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对于运动员和音乐家等受过训练的人来说，学习通常会在大量训练后停滞不前，这被称为“天花板效应”。来自日本索尼计算机科学实验室公司、京都神经钢琴研究所的研究团队通过让专业钢琴家使用可以快速独立移动各个手指的外骨骼机器手来进行复杂的手指被动训练来解决这个问题。
结果表明，被动训练运动技能的躯体感觉可以在不依赖于效应器的情况下通过特定任务克服天花板效应。这项研究刚刚登上了机器人领域顶刊Science Robotics最新一期的封面。
研究团队制作了一个精密的手部外骨骼系统。这个系统可以精确控制手指的弯曲和伸展，让钢琴家体验到比他们主动演奏更快速、更复杂的手指动作。系统的关键在于采用了“远程运动中心”机制，可以在高速重复运动时保持精确性，同时将手指表面的机械应力降到最低。
研究者们设计了一系列巧妙的实验来验证这个想法。他们招募了118位专业钢琴家参与研究，这些钢琴家都是音乐学院的专业演奏者，从8岁前就开始学琴，到20岁时的练琴时间都超过了一万小时。
在第一个关键实验中,30位钢琴家被要求练习一个技术性很强的任务: 右手食指和无名指同时按下间隔的琴键（D键和F键），然后右手中指和小指同时按下相邻的琴键（E键和G键）反复交替演奏。这种和弦琶音式的演奏在多个著名钢琴曲目中都有出现,比如肖邦的练习曲作品25第6首、拉威尔的《水妖》和贝多芬第三钢琴奏鸣曲第一乐章。
▍出人意料的被动训练效果
当技能达到瓶颈后,研究团队将钢琴家们分成了两组,让他们体验截然不同的被动训练。一组体验的是复杂的手指动作模式 - 食指和无名指同时弯曲时,中指和小指同时伸展,然后反向运动,与钢琴任务类似。另一组则体验简单的手指动作 - 四个手指同时弯曲和伸展,类似抓握动作。
关键的是，外骨骼机器人带动手指运动的速度达到了每秒4次(4Hz),这比钢琴家们此前能达到的最快速度(平均每秒2.3次)要快得多。
这真的是手指起飞的节奏！
研究人员通过肌电图实时监测,确保整个过程中钢琴家的肌肉都处于放松状态,完全是被动体验。
30分钟的被动训练后,结果令人振奋 - 体验了复杂动作模式的钢琴家们在演奏测试中,按键间隔时间从训练前的434.6毫秒缩短到了407.4毫秒,演奏速度明显提升。而体验简单动作模式的组则没有改善。更令人惊喜的是,这种提升在训练后30分钟依然保持,甚至第二天依然存在！
研究团队进一步扩大了实验规模,让60位钢琴家尝试了5种不同的训练方案：
快速复杂的被动训练(4Hz)
快速简单的被动训练(4Hz)
慢速复杂的被动训练(1Hz)
主动练习组(每秒2次按键)
休息对照组
结果再次证实,只有体验了"快速复杂"动作模式的组别才出现了显著进步。更有趣的是,他们用未经训练的左手演奏同样的曲目时,也表现出了类似的提升 - 这说明训练效果可以跨手转移。
为了排除其他可能的解释,研究人员还测试了钢琴家们的一般运动能力(如手指力量、灵活度)和解剖特征(如关节活动范围),这些都没有因训练而改变。这表明被动训练带来的进步是针对特定钢琴技能的,而不是因为手部整体功能的提升。
这些发现挑战了我们对技能学习的传统认知。通常认为,要提高某项技能,就必须反复主动练习。但这项研究表明,即便是被动体验,只要是之前从未经历过的更快速、更复杂的动作模式,也能帮助突破技能瓶颈。那么,这种奇妙的效果背后的神经机制是什么呢？
▍揭秘大脑的神经可塑性机制
为了探究被动训练带来技能提升的神经机制，研究团队在第三个实验中使用了经颅磁刺激(TMS)技术。他们在28位钢琴家接受被动训练前后，对其大脑运动皮层进行刺激，观察诱发的手指运动模式变化。
研究人员在大脑左右半球的初级运动皮层区域各选取了25个刺激点，形成一个5×5的网格。每个点都被刺激10次，同时用特制的数据手套记录下诱发的手指关节运动。通过张量分解的数学方法，他们从这些复杂的运动数据中提取出了5种基本的运动模式。
这些运动模式大致可以分为两类：
1.同步运动模式：类似抓握动作，多个手指同时弯曲或伸展
2.独立运动模式：不同手指的独立运动，比如食指和中指的反向运动
有趣的是，接受了复杂动作训练的钢琴家，在训练后其独立运动模式的比重明显增加。而接受简单动作训练的组，则主要表现为同步运动模式的减少。这种变化仅出现在接受训练的右手，而未训练的左手则没有这种改变。
这一发现揭示了一个重要的神经可塑性机制：被动体验新的复杂动作模式，可以重塑大脑皮层中编码的手指运动模式，增强手指独立控制的成分。研究人员认为，这可能是通过感觉运动区域之间的功能连接实现的 - 先前的研究已经证实，刺激体感神经元能够激活运动皮层的神经元。
另一个有趣的发现来自肌电图分析。研究者发现，复杂动作训练后，钢琴家们的肌肉协调模式也发生了变化：肌肉活动的时间提前，幅度减小，显示出更有效的神经肌肉控制。这种改变可能反映了感觉运动规划的更新 - 被动体验帮助大脑建立了新的"感觉目标"，指导更快速的运动表现。
特别值得注意的是，未经训练的左手虽然也表现出了性能提升，但其运动皮层中的运动模式并未改变。这提示除了已发现的机制外，可能还有其他脑区（如辅助运动区）参与了这种跨手转移效应。
这项研究不仅在实践层面提供了突破技能瓶颈的新方法，也为我们理解神经系统的可塑性提供了新的视角。它表明，即使是高度熟练的动作技能，也可以通过体验前所未有的感觉经验得到提升。这一发现可能对音乐教育、运动训练，甚至神经康复都具有重要的启发意义。
未来，这种外骨骼辅助训练系统可能在多个领域发挥作用：它不仅可以帮助音乐家提升技艺，也可能用于康复训练，甚至实现从教师到学生的触觉技能传递。
当然，这项研究也提出了新的问题：为什么传统的主动练习无法达到类似的效果？这种被动训练的最佳频率和持续时间是多少？这些都需要未来的研究继续探索。
屏幕前的你，想拥有这种外骨骼“外挂”吗？想拿来做什么呢？
文章链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adn3802
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