Видът невронаука, който правя с колегите си, е почти както предсказване на времето. Гледаме къде ще има бури. Искаме да видим и да измерим бурите - брейнстормс, това е. Всички говорим за брейнстормс в ежедневния си живот, но рядко го виждаме или го слушаме. Обичам да започвам тези разговори, като ви покажа брейнсторм.
The kind of neuroscience that I do and my colleagues do is almost like the weatherman. We are always chasing storms. We want to see and measure storms -- brainstorms, that is. And we all talk about brainstorms in our daily lives, but we rarely see or listen to one. So I always like to start these talks by actually introducing you to one of them.
Първият път, когато записахме повече от един неврон - сто умствени клетки наведнъж - можахме да измерим електрическите искри на сто клетки в едно животно, това е първата снимка, която получихме, първите 10 секунди от този запис. Получихме отрязък на мисъл и можахме да я видим.
Actually, the first time we recorded more than one neuron -- a hundred brain cells simultaneously -- we could measure the electrical sparks of a hundred cells in the same animal, this is the first image we got, the first 10 seconds of this recording. So we got a little snippet of a thought, and we could see it in front of us.
Винаги казвам на студентите, че можем да наречем невроучените някакъв вид астрономи, защото работим със система, която е сравнима само по броя на клетките, с броя на галактиките, които съществуват във Вселената. От милиони неврони, преди 10 години, записахме само сто. Сега записваме хиляда. Надяваме си, да разберем нещо основно за същността на човека. Защото, ако все още не знаете, всичко, което използваме, за да дефинираме същността на човека, идва от тези бури, идва от тези бури, които разлюляват хълмовете и долините на мозъците ни и определят паметта ни, вярванията ни, чувствата ни, плановете ни за бъдеще. Всичко, което правим, за всичко, което човек е направил, прави или ще направи, е нужно функционирането на неврони, които произвеждат тези видове бури.
I always tell the students that we could also call neuroscientists some sort of astronomer, because we are dealing with a system that is only comparable in terms of number of cells to the number of galaxies that we have in the universe. And here we are, out of billions of neurons, just recording, 10 years ago, a hundred. We are doing a thousand now. And we hope to understand something fundamental about our human nature. Because, if you don't know yet, everything that we use to define what human nature is comes from these storms, comes from these storms that roll over the hills and valleys of our brains and define our memories, our beliefs, our feelings, our plans for the future. Everything that we ever do, everything that every human has ever done, do or will do, requires the toil of populations of neurons producing these kinds of storms.
Звукът на брейнсторм, ако не сте го чували, е нещо такова. Можете да го увеличите, ако искате. Синът ми го нарича "правене на пуканки, докато слушате лошо настроена радио станция". Това е мозъкът. Това се случва, когато настроите тези електрически бури към високоговорител и слушате сто умствени клетки, мозъкат ви ще звучи така - мозъка ми, всеки мозък. Това, което искаме да направим като невроучени сега, е да слушаме тези симфонии, тези симфонии на мозъка и да се опитаме да извадим от тях съобщенията, които носят.
And the sound of a brainstorm, if you've never heard one, is somewhat like this. You can put it louder if you can. My son calls this "making popcorn while listening to a badly-tuned A.M. station." This is a brain. This is what happens when you route these electrical storms to a loudspeaker and you listen to a hundred brain cells firing, your brain will sound like this -- my brain, any brain. And what we want to do as neuroscientists in this time is to actually listen to these symphonies, these brain symphonies, and try to extract from them the messages they carry.
Преди 12 години, създадохме подготовка, която нарекохме интерфейси на машина на мозъка. Тук е програмата, която описва, как той работи. Идеята е, нека имаме няколко сензора, които слушат тези бури, това електричество и да видите, ако можете, във времето, което е нужно на бурята да напусне мозъка и да достигне краката или ръцете на животно - за половин секунда - нека да видим, дали можем да прочетем тези сигнали, да извадим съобщенията на двигателните нерви, които се съдържат в тях, да ги преведем в дигитални команди и да ги изпратим към изкуствено устройство, което ще възпроизведе произволно моторно колело на този мозък в реално време. И да видим дали можем да измерим колко дoбре можем да преведем това съобщение, когато го сравняваме с начина, по който тялото прави това.
In particular, about 12 years ago we created a preparation that we named brain-machine interfaces. And you have a scheme here that describes how it works. The idea is, let's have some sensors that listen to these storms, this electrical firing, and see if you can, in the same time that it takes for this storm to leave the brain and reach the legs or the arms of an animal -- about half a second -- let's see if we can read these signals, extract the motor messages that are embedded in it, translate it into digital commands and send it to an artificial device that will reproduce the voluntary motor wheel of that brain in real time. And see if we can measure how well we can translate that message when we compare to the way the body does that.
Ако можем да осигурим обратна връзка, сензорните сигнали, които се връщат от това роботизирано, механично, компютъризирано задвижващо устройство, което е под управлението на мозъка, отново се връщаме към мозъка, как мозъка прави това, да получава съобщения от изкуствена машина.
And if we can actually provide feedback, sensory signals that go back from this robotic, mechanical, computational actuator that is now under the control of the brain, back to the brain, how the brain deals with that, of receiving messages from an artificial piece of machinery.
Направихме го преди 10 години. Започнахме със суперзвезда маймуна, наречена Аврора, каято стана една от суперзвездите в тази област. Аврора обичаше да играе на видео игри. Както можете да видите тук, тя обича да използва джойстик, както всички нас, всички наши деца, за да играе тази игра. Като добър примат, тя дори се опитва да мами, преди да даде правилния отговор. Дори преди да се появи целта, която тя трябва да пресече с курсора, с който управлява този джойстик, Аврора се опитва да намери целта, без значение, къде е. Тя прави това, защото всеки път, когато пресече тази цел с малкия курсор, получава капка бразилски портокалов сок. Мога да ви кажа, че всяка маймуна ще направи всичко за вас, ако й дадете малка капка бразилски портокалов сок. Всеки примат ще направи това. Помислете за това.
And that's exactly what we did 10 years ago. We started with a superstar monkey called Aurora that became one of the superstars of this field. And Aurora liked to play video games. As you can see here, she likes to use a joystick, like any one of us, any of our kids, to play this game. And as a good primate, she even tries to cheat before she gets the right answer. So even before a target appears that she's supposed to cross with the cursor that she's controlling with this joystick, Aurora is trying to find the target, no matter where it is. And if she's doing that, because every time she crosses that target with the little cursor, she gets a drop of Brazilian orange juice. And I can tell you, any monkey will do anything for you if you get a little drop of Brazilian orange juice. Actually any primate will do that. Think about that.
Както видяхте, малката Аврора игаеше тази игра, правеше хиляди опита дневно и получаваше 97 правилни отговори и 350 милилитра портокалов сок, записвахме брейнстормс, които възникваха в главата й и ги изпращахме на роботизирана ръка, която се учеше да възпроизведа движенията, които Аврора правеше. Защото идеята беше да включим този роботизиран интерфейс на машина - мозък и да накараме Аврора да играе играта, като мисли, без намеса от страна на тялото й. Нейните брейнстормс можеха да управляват ръка, чрез която тя ще мести курсора и ще стигне до целта. За изненада, Аврора правеше точно това. Тя игаеше играта, без да мърда тялото си.
Well, while Aurora was playing this game, as you saw, and doing a thousand trials a day and getting 97 percent correct and 350 milliliters of orange juice, we are recording the brainstorms that are produced in her head and sending them to a robotic arm that was learning to reproduce the movements that Aurora was making. Because the idea was to actually turn on this brain-machine interface and have Aurora play the game just by thinking, without interference of her body. Her brainstorms would control an arm that would move the cursor and cross the target. And to our shock, that's exactly what Aurora did. She played the game without moving her body.
Всяка траeктория, която виждате, че е направена от курсора, е първият път, когато тя успя да направи това. Това е първия път, когато стремежа на мозъка беше освободен от физическите части в тялото на примат и тя можеше да действа в този външен свят, като управлява изкуствен инструмент. Аврора продължи да играе играта, продължи да намира малки цели и да получава портокаловия сок, който искаше да получи.
So every trajectory that you see of the cursor now, this is the exact first moment she got that. That's the exact first moment a brain intention was liberated from the physical domains of a body of a primate and could act outside, in that outside world, just by controlling an artificial device. And Aurora kept playing the game, kept finding the little target and getting the orange juice that she wanted to get, that she craved for.
Правеше това, защото по това време получи нова ръка. Роботизираната ръка, която тук виждате след 30 дни, след като първият видео филм, който ви показах, е под управлението на мозъка на Аврора и движи курсора до целта. Сега Аврора знае, че може да играе играта с тази роботизирана ръка, но не е загубила способността да използва биологичните си ръце, за да прави, коквото иска. Може да си почеше гърба, може да почеше някой от нас, може да играе друга игра. При всички случаи, мозъкът на Аврора е вградил този изкуствен инструмент като продължение на тялото й. Моделът на себе си, който Аврора има в мозъка си, се е разширил, за да получи още една ръка.
Well, she did that because she, at that time, had acquired a new arm. The robotic arm that you see moving here 30 days later, after the first video that I showed to you, is under the control of Aurora's brain and is moving the cursor to get to the target. And Aurora now knows that she can play the game with this robotic arm, but she has not lost the ability to use her biological arms to do what she pleases. She can scratch her back, she can scratch one of us, she can play another game. By all purposes and means, Aurora's brain has incorporated that artificial device as an extension of her body. The model of the self that Aurora had in her mind has been expanded to get one more arm.
Направихме това преди 10 години. Кратък преглед на тези 10 години. През миналата година разбрахме, че тя не трябва да има роботизиран инструмент. Можем да създадем компютъризирано тяло, хищник, маймуна хищник. Можете да го използвате вместо маймуните ни, за да взаимодействате с тях или да ги обучите да възприемат виртуален свят, непосредствена перспектива за този хищник и тя да използва дейността на мозъка си, за да управлява движенията на ръцете и краката на този хищник.
Well, we did that 10 years ago. Just fast forward 10 years. Just last year we realized that you don't even need to have a robotic device. You can just build a computational body, an avatar, a monkey avatar. And you can actually use it for our monkeys to either interact with them, or you can train them to assume in a virtual world the first-person perspective of that avatar and use her brain activity to control the movements of the avatar's arms or legs.
Обучихме животните да управляват тези хищници и да изучават обекти, които се появяват във виртуалния свят. Тези обекти са визуално еднакви, но когато хищникът премине през повърхността им, те изпращат елеткрическо съобщение, което е пропорционално на микроосезателната текстура на обекта, който се връща в мозъка на маймуната, като я информира, кaкво докосва хищникът. Само за четири седмици, мозъкът се научава да обработва това ново усещане и получава нов сензорен път - като ново чувство. Сега напълно освобождаваме мозъка, тъй като му позволяваме да изпраща двигателни команди, за да движи този хищник. Обратната връзка, която идва от хищника, се обработва от мозъка без да засегне кожата.
And what we did basically was to train the animals to learn how to control these avatars and explore objects that appear in the virtual world. And these objects are visually identical, but when the avatar crosses the surface of these objects, they send an electrical message that is proportional to the microtactile texture of the object that goes back directly to the monkey's brain, informing the brain what it is the avatar is touching. And in just four weeks, the brain learns to process this new sensation and acquires a new sensory pathway -- like a new sense. And you truly liberate the brain now because you are allowing the brain to send motor commands to move this avatar. And the feedback that comes from the avatar is being processed directly by the brain without the interference of the skin.
Тук виждате моделът на задачата. Ще видите животно, което докосва тези три цели. То трябва да избере една цел, защото само в една цел има награда, портокаловия сок, който иска да получи. Тя трябва да го избере с докосване, като използва виртуална ръка, ръка, която не съществува. Тя прави това.
So what you see here is this is the design of the task. You're going to see an animal basically touching these three targets. And he has to select one because only one carries the reward, the orange juice that they want to get. And he has to select it by touch using a virtual arm, an arm that doesn't exist. And that's exactly what they do.
Това е пълно освобождаване на мозъка от физическите ограничения на тялото и двигателлния нерв със задача за възприемане. Животното управлява хищника за да докосне целите. То усеща текстурата, чрез получаване на електрическо съобщение в мозъка. Мозъкът решава каква е текстурата, която е свързана с наградата. Обясненията, които виждате във филма не се появяват за маймуната. Между другото, маймуните не могат да четат на английски и легендите са тук само за вас, за да знаете, че правилната цел променя местоположението си. Тя може да ги намери чрез разума си да я натисне и да я избере.
This is a complete liberation of the brain from the physical constraints of the body and the motor in a perceptual task. The animal is controlling the avatar to touch the targets. And he's sensing the texture by receiving an electrical message directly in the brain. And the brain is deciding what is the texture associated with the reward. The legends that you see in the movie don't appear for the monkey. And by the way, they don't read English anyway, so they are here just for you to know that the correct target is shifting position. And yet, they can find them by tactile discrimination, and they can press it and select it.
Когато разглеждаме мозъците на тези животни, на горния панел виждате редица от 125 клетки, които показват, какво се случва с дейността на мозъка, електрическите бури на тази мостра от неврони в мозъка, когато животното използва джойстик. Това е картина, която всеки невропсихолог познава. Основната редица показва, че тези клетки са код за всички възможни посоки. Картината в дъното показва, какво се случва, когато тялото спре да се движи и животното започва да управлява роботизиран инструмент или компютъризиран хищник. Доколкото можахме да настоим компютрите си, дейността на мозъка се променя, за да започне да представя този нов инструмент, като че ли той е част от тялото на примата. Мозъкът разбира и това, доколкото можем да го измерим.
So when we look at the brains of these animals, on the top panel you see the alignment of 125 cells showing what happens with the brain activity, the electrical storms, of this sample of neurons in the brain when the animal is using a joystick. And that's a picture that every neurophysiologist knows. The basic alignment shows that these cells are coding for all possible directions. The bottom picture is what happens when the body stops moving and the animal starts controlling either a robotic device or a computational avatar. As fast as we can reset our computers, the brain activity shifts to start representing this new tool, as if this too was a part of that primate's body. The brain is assimilating that too, as fast as we can measure.
Това ни подсказва, че чувството ни за себе си не свършва в последния слой на епитела на телата ни, а в последния слой електрони на инструментите, които управляваме с мозъка си. Цигулките ни, колите ни, велосипедите ни, топките ни за футбол, дрехите ни - всичко се възприема от тази ненаситна, удивителна, динамична система, наречена мозък.
So that suggests to us that our sense of self does not end at the last layer of the epithelium of our bodies, but it ends at the last layer of electrons of the tools that we're commanding with our brains. Our violins, our cars, our bicycles, our soccer balls, our clothing -- they all become assimilated by this voracious, amazing, dynamic system called the brain.
Докъде можем да стигнем? В експеримент, който проведохме преди няколко години, стигнахме до тази граница. В университета в Дюк, на Източния бряг на Съединените щати, имахме животно, което вършеше неблагодарна работа, произвеждаше брейнстормс, необходими за движение. Имахме роботизиран уред, робот - хуманоид, в Киото, Япония, в лабораториите ATP, което мечтаеше през целия си живот да бъде управлявано от мозък, човешки мозък или мозък на примат.
How far can we take it? Well, in an experiment that we ran a few years ago, we took this to the limit. We had an animal running on a treadmill at Duke University on the East Coast of the United States, producing the brainstorms necessary to move. And we had a robotic device, a humanoid robot, in Kyoto, Japan at ATR Laboratories that was dreaming its entire life to be controlled by a brain, a human brain, or a primate brain.
Тук дейността на мозъка, която произвежда движенията на маймуната, беше прехвърлена в Япония и накара този робот да върви, като дължината на футовете, които беше извървяло, беше изпратена в Дюк и маймуната можеше да види краката на този робот, който вървеше пред нея. Тя можеше да бъде възнаградена не от това, което тялото й правеше, но от всяка правилна стъпка на робота в другия край на планетата, което беше управлявано от дейността на мозъка й.
What happens here is that the brain activity that generated the movements in the monkey was transmitted to Japan and made this robot walk while footage of this walking was sent back to Duke, so that the monkey could see the legs of this robot walking in front of her. So she could be rewarded, not by what her body was doing but for every correct step of the robot on the other side of the planet controlled by her brain activity.
Смешно е, че това пътешествие около света отне 20 милисекунди по-малко, отколкото е нужно на този брейнсторм да напусне главата му, главата на маймуната и да достигне мускулите си. Маймуната движеше робот, който беше шест пъти по-голям от нея през планетата. Това е един от експериментите, в който този робот можеше да върви самостоятелно. Това е СВ1, който осъществи мечтата си в Япония, под управлението на дейността на мозъка на примат.
Funny thing, that round trip around the globe took 20 milliseconds less than it takes for that brainstorm to leave its head, the head of the monkey, and reach its own muscle. The monkey was moving a robot that was six times bigger, across the planet. This is one of the experiments in which that robot was able to walk autonomously. This is CB1 fulfilling its dream in Japan under the control of the brain activity of a primate.
От къде взимаме всичко това? Какво ще направим с това изследване, освен да изучим свойствата на тази динамична галактика, която съществува между ушите ни? Идеята е да вземем това знание и технология и да се опитаме да възстановим най-тежките неврологични проблеми в света. Милиони хора са загубили способността да превеждат тези брейнстормс в действие, в движение. Въпреки, че мозъка им продължава да произвежда тези брейнстормс и код за движения, те не могат да преминат бариера, която е създадена от повреда на гръбначният стълб.
So where are we taking all this? What are we going to do with all this research, besides studying the properties of this dynamic universe that we have between our ears? Well the idea is to take all this knowledge and technology and try to restore one of the most severe neurological problems that we have in the world. Millions of people have lost the ability to translate these brainstorms into action, into movement. Although their brains continue to produce those storms and code for movements, they cannot cross a barrier that was created by a lesion on the spinal cord.
Идеята е, да създадем байпас, за да използваме интерфейсите на мозък - машина, за да четем тези сигнали, брейнстормс в голям мащаб, които съдържат желанието да се движим отново, да отстраним вредите, като използваме компютъризирано микроинженерство и да ги изпратим в ново тяло, наречено ексоскелет, цял роботоризиран костюм, който ще стане ново тяло за тези пациенти.
So our idea is to create a bypass, is to use these brain-machine interfaces to read these signals, larger-scale brainstorms that contain the desire to move again, bypass the lesion using computational microengineering and send it to a new body, a whole body called an exoskeleton, a whole robotic suit that will become the new body of these patients.
Можете да видите образ, създаден от този консорциум. Това е консорциум с идеална цел, наречен Проект Ходи Отново, в който се събират учени от Европа, оттук, в САЩ и в Бразилия, за да работят заедно, за да получат това ново тяло - тяло, за което вярваме, че чрез същите пластмасови механизми, които позволяват на Аврора и на други маймуни да използват тези инструменти чрез интерфейс на машина - мозък и което ни позволява да внедрим инструментите, които произвеждаме и да ги използваме в ежедневието. Надяваме се, че същия механизъм ще позволи на тeзи пациенти не само да си представят отново движенията, които искат да направят и да ги преведат в движения на това ново тяло, но то да бъде асимилирано като ново тяло, което е управлявано от мозъка.
And you can see an image produced by this consortium. This is a nonprofit consortium called the Walk Again Project that is putting together scientists from Europe, from here in the United States, and in Brazil together to work to actually get this new body built -- a body that we believe, through the same plastic mechanisms that allow Aurora and other monkeys to use these tools through a brain-machine interface and that allows us to incorporate the tools that we produce and use in our daily life. This same mechanism, we hope, will allow these patients, not only to imagine again the movements that they want to make and translate them into movements of this new body, but for this body to be assimilated as the new body that the brain controls.
Преди 10 години беше казано, че това никога няма да се случи, че това е невъзможно. Мога само да ви кажа, че като учен, израснах в южна Бразилия в средата на 1960-те години, като наблюдавах тези луди момчета, които ни казваха, че ще отидат на Луната. Бях пет годишен и никога не разбрах, защо НАСА не нае капитан Кърк и Спок за да тази работа; те бяха много продуктивни - но виждайки това като дете, ме накара да вярвам, както ми казваше баба ми, че "невъзможното е възможното, за което някой не е дал достатъчно усилия, за да се сбъдне".
So I was told about 10 years ago that this would never happen, that this was close to impossible. And I can only tell you that as a scientist, I grew up in southern Brazil in the mid-'60s watching a few crazy guys telling [us] that they would go to the Moon. And I was five years old, and I never understood why NASA didn't hire Captain Kirk and Spock to do the job; after all, they were very proficient -- but just seeing that as a kid made me believe, as my grandmother used to tell me, that "impossible is just the possible that someone has not put in enough effort to make it come true."
Те ми казаха, че е невъзможно да се накара някой да ходи. Мисля, че ще следвам съвета на баба ми.
So they told me that it's impossible to make someone walk. I think I'm going to follow my grandmother's advice.
Благодаря.
Thank you.
(Аплодисменти)
(Applause)