Роботизированный экзоскелет поможет пианистам преодолеть «потолок мастерства»

Многие музыканты зарабатывают на жизнь благодаря своим рукам и иногда сталкиваются с так называемым «эффектом потолка» (ceiling effect) — ситуацией, когда прогресс останавливается, несмотря на продолжительные тренировки и практику. Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали инновационный экзоскелет, призванный помочь профессионалам преодолеть естественные ограничения, с которыми они часто сталкиваются. 

В недавнем исследовании рассказывается о том, как экзоскелет пассивно перемещает пальцы пианистов одной руки с большей скоростью, чем музыканты способны двигать пальцами другой руки самостоятельно. Примечательно, что после снятия устройства пианисты продемонстрировали более высокую скорость нажатия клавиш той рукой, которая прошла «тренировку».

Исследовательская группа также обнаружила неожиданный эффект: по-видимому, улучшились двигательные навыки и нетренированной руки, которая не подвергалась роботизированному воздействию.

«В качестве контрольного эксперимента мы попросили другую группу пианистов практиковаться на фортепиано, выполняя целевое задание. Однако улучшения навыка не произошло из-за эффекта потолка», — объяснил в электронном письме изданию The Debrief ведущий исследователь Синъити Фуруя из японской компании Kabushiki Kaisha Sony Computer Science Kenkyujo.

«Мы также выяснили, что после двух недель активных тренировок, когда навык достиг своего “потолка”, пассивная тренировка позволила улучшить его ещё больше. Это свидетельствует о том, что активное и пассивное обучение основаны на разных механизмах», — добавил он.

«Чтобы изучить нейропластичность, мы использовали неинвазивную стимуляцию мозга, а именно транскраниальную магнитную стимуляцию. Однако исследование проводилось на другой контрольной группе — участниках, которые проходили пассивную тренировку с простым паттерном быстрых движений нескольких пальцев. Группа, занимавшаяся активной практикой, в этом эксперименте не участвовала», — рассказал Фуруя.

Использование быстрых пассивных движений рук в качестве тренировочного инструмента может оказаться перспективным способом помочь музыкантам преодолеть препятствия в обучении. Предыдущие исследования уже показывали, что пассивные движения конечностей с помощью роботов способны улучшать базовые двигательные навыки. Однако эта работа стала первой, продемонстрировавшей потенциал подобной тренировки для преодоления профессиональными музыкантами собственных пределов мастерства.

Исследование

Фуруя и его команда работали со 118 профессионально подготовленными пианистами, проводя серию экспериментов с использованием недавно разработанного роботизированного устройства, способного независимо перемещать пальцы.

На первом этапе участники в течение двух недель самостоятельно практиковались дома на фортепиано, пока их исполнительские навыки не достигли плато.

После этого они прошли 30-минутную пассивную тренировку с экзоскелетом. Устройство генерировало быстрые или медленные движения пальцев правой руки, используя сложный или простой двигательный паттерн.

Сразу после работы с экзоскелетом исследователи оценили исполнительские навыки участников. Ещё одно тестирование провели на следующий день, чтобы проверить, сохранился ли достигнутый результат.

Пианисты, которые проходили пассивную тренировку с быстрыми и сложными движениями, продемонстрировали более высокую скорость игры обеими руками, а также улучшение мышечной координации в тренированной руке.

«Мы считаем, что эта тренировка позволит расширить диапазон движений, которые пианисты исследуют во время занятий, и в дальнейшем будет способствовать развитию творческих возможностей, — отметил Фуруя. — Это связано с тем, что после тренировки пианисты могут играть быстрее, получая уникальную возможность исследовать больше способов музыкального выражения, чем раньше».

Чтобы изучить эффект более подробно, исследователи стимулировали отдельные участки моторной коры головного мозга, вызывая движения до и после тренировки.

Результаты показали, что изменения двигательных паттернов наблюдались только у участников, тренировавшихся с экзоскелетом. Это указывает на то, что пассивная тренировка способствует нейропластическим изменениям в мозге.

Улучшение навыков нетренированной руки и новые данные о нейропластичности

Интересно, что исследователи обнаружили улучшение двигательных навыков и у участников, чья вторая рука не проходила тренировку.

Точный механизм этого эффекта, известного как межручный перенос навыка (inter-manual transfer), пока остаётся неясным. Однако Фуруя предполагает, что в нём могут участвовать высшие отделы мозга.

«Мы не смогли обнаружить прямых доказательств, объясняющих эффект межручного переноса при помощи неинвазивной стимуляции мозга, направленной на первичную моторную кору, — отметил он. — Вероятно, наблюдаемый межручный перенос связан с нейропластическими изменениями в некоторых “высших” отделах мозга, например в дополнительной моторной коре, которая отвечает за этот перенос».

Фуруя пояснил:

«Одно из важных значений наблюдаемого межручного переноса заключается в том, что пассивная тренировка, по-видимому, происходила на уровне нервной системы, а не опорно-двигательного аппарата. Мы предполагаем, что пассивная тренировка позволила пианистам более точно представлять себе, “как именно нужно двигать пальцами”. При таком обучении, основанном на мысленных образах движения, сенсорная информация от тела, по-видимому, играет ключевую роль. Это открывает новый взгляд на процесс формирования двигательных навыков».

Фуруя также подчеркнул важность получения согласия при использовании роботизированных технологий для воспроизведения естественных движений человека.

«Если мы воспроизводим чьи-то движения с помощью робота, мы не должны делать этого без разрешения данного человека», — предупредил исследователь.

Исследование Фуруи и его команды под названием «Surmounting the ceiling effect of motor expertise by novel sensory experience with a hand exoskeleton» («Преодоление эффекта потолка в двигательной экспертизе с помощью нового сенсорного опыта, полученного при использовании экзоскелета для руки») было опубликовано в журнале Science 15 января 2025 года.

Крисси Ньютон — специалист по связям с общественностью и основательница VOCAB Communications. Она ведёт подкаст Rebelliously Curious, который выходит на YouTube-канале The Debrief. Подписаться на неё можно в X: @ChrissyNewton, а также на сайте chrissynewton.com.

Переведено с помощью chatgpt.com

Фото: hightech.fm, thedebrief.org

Источник: thedebrief.org