Druh neurovědy, jímž se já a mí kolegové zabýváme, se velmi podobá meteorologům. Stále honíme bouře. Snažíme se zahlédnout a měřit bouře -- tedy mozkové bouře. A všichni běžně v životě hovoříme o mozkových bouřích, ale jen zřídkakdy nějakou vidíme či slyšíme. Proto tyto přednášky pokaždé rád začínám představením jedné z nich.
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.
Vlastně poprvé, co jsme zaznamenali více než jeden neuron -- celou stovku mozkových buněk zároveň -- jsme byli schopni změřit elektrické jiskření sta buněk v témže zvířeti, tohle je první obrázek, který jsme získali, prvních 10 sekund této nahrávky. Takže máme malý kousek myšlenky a máme ji takto viditelně před sebou.
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.
Pokaždé studentům říkám, že neurovědci by se dali také nazvat takovými trochu astronomy, poněvadž se zde setkáváme se systémem, který je, co se týče počtu buněk, srovnatelný s počtem galaxií, které jsou v našem vesmíru. A tady před námi jsme z miliard neuronů před 10 lety zaznamenávali jen stovku. V dnešní době je to tisíc. Snažíme se tím porozumět něčemu velice základnímu ohledně podstaty člověka. Protože, jestli to ještě nevíte, všechno, co používáme k definování toho, co je podstatou člověka, vychází z těchto bouří, z těchto bouří, které se převalují přes vrcholky a prohlubně našich mozků a definují naše vzpomínky, naše domněnky, naše pocity, naše plány do budoucna. Vše, co kdy děláme, vše, co každý člověk kdy dokázal nebo dokáže, vyžaduje úsilí populací neuronů produkujících takovéto různé bouře.
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.
A zvuk mozkové bouře, jestli jste ještě nikdy žádnou neslyšeli, zní asi takhle. Mohli bychom tomu přidat zvuk, kdyby se to dalo. Můj syn tomu říká "dělání popcornu během poslechu špatně naladěné AM stanice". Tohle je mozek. Tohle se stane, když tyto bouře navedete do reproduktoru a posloucháte aktivitu sta mozkových buněk, váš mozek bude znít takto -- můj mozek, jakýkoli mozek. A dnes se jako neurovědci vlastně snažíme naslouchat těmto symfoniím, těmto mozkovým symfoniím, a pokusit se z nich získat zprávy, které přenášejí.
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.
Konkrétně před 12 lety jsme vytvořili zařízení, které jsme nazvali mozkovo-přístrojové rozhraní. A zde je nákres popisující, jak funguje. Tedy asi tak, že máme určité snímače, které detekují tyto bouře, tyto elektrické signály, a zkoušíme, zda můžeme za stejnou dobu, jakou to této bouři trvá vyrazit z mozku a dorazit až do nohou či paží zvířete -- asi tak půl sekundy -- zjišťujeme, zda jsme schopni tyto signály přečíst, získat zprávy o pohybu, které jsou v nich obsaženy, převést je v digitální příkazy a poslat je do umělého zařízení, které by reprodukovalo volní pohybový aparát tohoto mozku v reálném čase. Chceme zjistit, zda můžeme měřit, jak dobře jsme schopni tuto zprávu zakódovat v porovnání se způsobem, kterým to dělá tělo.
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.
Dokonce jsme schopni poskytnout zpětnou vazbu, smyslové signály, které se vracejí z tohoto robotického, mechanického, počítačového nástroje, který je nyní pod kontrolou mozku, zpět do mozku, jak se s tím mozek vypořádá, získávaje zprávy z umělého kusu přístroje.
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.
A přesně to se nám podařilo před 10 lety. Začali jsme se slavnou opicí jménem Aurora, která se stala jednou z hvězd tohoto oboru. A Aurora ráda hrála videohry. A jak zde můžete vidět, ráda používá joystick jako kdokoli z nás, jakékoli z našich dětí, ke hraní této hry. A jako správný primát dokonce zkouší i podvádět ještě předtím, než odpoví správně. Takže ještě předtím, než se terč, který má překřížit, zobrazí, kurzorem kontrolovaným tímto joystickem se Aurora snaží tento terč najít, ať už je kdekoli. A když to takto dělá, jelikož pokaždé, když přejede kurzorem přes tento terč, dostane kapku brazilského pomerančového džusu. A to vám můžu říct, že jakákoli opice pro vás udělá cokoli, když dostane malou kapku brazilského pomerančového džusu. Vlastně jakýkoli primát. Popřemýšlejte o tom.
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.
No a zatímco Aurora hrála tuto hru, jak jste viděli, během několika tisíců pokusů za den, s 97 procentní úspěšností a 350 mililitry pomerančového džusu, my mezitím zaznamenáváme mozkové bouře produkované v její hlavě a posíláme je do robotické paže, která se učila reprodukovat pohyby, které dělala Aurora. Protože hlavní myšlenkou bylo vlastně uvést do pochodu toto mozkovo-přístrojové rozhraní tak, aby nakonec Aurora hrála hru silou pouhé myšlenky, bez pomoci jejího vlastního těla. Její mozkové bouře by tak kontrolovaly ruku, která by pohybovala kurzorem a překřižovala terč. A k našemu překvapení, přesně to Aurora dělala. Hrála hru bez pohnutí vlastního těla.
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.
Takže každá dráha kurzoru, kterou nyní vidíte, je přesně tím prvním momentem, kdy se jí to podařilo. To je přesně ten první moment, kdy byl úmysl mozku oproštěn od fyzické domény těla primáta, a byl schopen působit vně, v tom vnějším světě pouze pomocí ovládání umělého zařízení. A Aurora nadále hrála hru, nadále hledala malý terč a dostávala pomerančový džus, který dostávat chtěla, po kterém toužila.
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.
No, a to všechno díky tomu, že tehdy dostala novou paži. Robotická paže, kterou vidíte pohybovat se 30 dní poté, co jsme natočili ono první video, jež jsem vám ukázal, je pod kontrolou Aurořina mozku a pohybuje kurzorem tak, aby se dostal k terči. A Aurora teď už ví, že dokáže tuto hru hrát pomocí této robotické paže, ovšem stále neztratila schopnost stále používat své biologické paže k čemukoli, co se jí zamane. Může se poškrábat na zádech, může poškrábat jednoho z nás, může hrát další hru. V každém praktickém smyslu slova Aurořin mozek začlenil toto umělé zařízení jako rozšíření jejího těla. Představa sebe sama, kterou má Aurora ve své mysli, byla rozšířena o jednu další paži.
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.
No, to se nám podařilo před 10 lety. Teď se přesuňme o 10 let dopředu. Právě loni jsme si uvědomili, že ani nepotřebujeme robotické zařízení. Můžeme mít jen počítačové tělo, avatar, opičí avatar. A ten můžete vlastně použít pro interakci s našimi opicemi, nebo je můžete vytrénovat, aby začaly uvažovat ve virtuálním světě, z pohledu první osoby tohoto avatara, a používaly svůj mozek ke kontrole pohybů avatarových paží a nohou.
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.
V zásadě jsme zvířata vytrénovali, aby se naučila ovládat tyto avatary a zkoumala objekty, které se objeví ve virtuálním světě. A tyto všechny objekty vypadají totožně, ale když avatar přejede po jejich povrchu, pošlou elektrickou zprávu, která je úměrná miniaturní povrchové struktuře tohoto objektu, která jde zpátky do mozku opice zpravujíc mozek o tom, čeho se avatar dotýká. A za pouhé čtyři týdny se mozek naučí zpracovat tyto nové podněty a získá tak novou smyslovou dráhu -- jakoby nový, šestý smysl. A nyní konečně mozek osvobozujeme, protože mu dovolujeme rozesílat pohybové příkazy k rozhýbání tohoto avatara. A zpětná vazba, která se vrací z avatara, je zpracována přímo mozkem bez zapojení kůže.
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.
Takže to, co zde vidíte, je plán tohoto úkonu. Uvidíte v zásadě zvíře dotýkající se těchto tří terčů. A ono musí vybrat jeden z nich, protože jen ten znamená odměnu, pomerančový džus, který chtějí získat. Musejí jej vybrat dotykem virtuální paže, paže, která neexistuje. A přesně to dělají.
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.
Toto je naprosté osvobození mozku od fyzických omezení těla a pohybového aparátu při vjemové činnosti. Zvíře kontroluje avatara k dotyku objektů. A cítí povrchovou strukturu skrze přijímání elektrických signálů přímo do mozku. A mozek se rozhoduje, který druh povrchu odpovídá odměně. Popisky, které vidíte na videu, se opici nezobrazují. A kromě toho, ony stejně anglicky číst neumějí, takže jsou zde pouze proto, abyste věděli, že správný terč mění svou pozici. I přesto jsou schopny jej najít skrze hmatové rozdíly, a tak jej mohou stiskem vybrat.
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.
Takže když se podíváme na mozky těchto zvířat, na horním panelu vidíte seřazených 125 buněk zobrazujících, co se stane s mozkovou aktivitou, mozkovými bouřemi, tohoto vzorku neuronů v mozku, když zvíře používá joystick. A toto je obrázek, který zná každý neurofyziolog. Základní rozřazení zobrazuje, že tyto buňky odpovídají za všechny možné směry. Spodní obrázek ukazuje, co se stane, když se tělo přestane hýbat a zvířata začnou ovládat buď robotické zařízení, nebo počítačového avatara. Okamžitě po přenastavení našich počítačů se mozková aktivita změní v reprezentaci tohoto nového nástroje, jakoby byl také součástí těla primáta. Mozek jej začlení tak rychle, jak jen dokážeme měřit.
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.
To naznačuje, že naše vnímání sebe sama nekončí poslední vrstvou kožního epitelu našich těl, nýbrž končí poslední vrstvou elektronů v nástrojích, které ovládáme našimi mozky. Naše housle, naše auta, naše kola, naše fotbalové míče, naše oblečení -- to všechno se začlení tímto nenasytným, úžasným, dynamickým systémem zvaným mozek.
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.
Jak daleko s tím můžeme zajít? No, v experimentu, který probíhal před pár lety, jsme došli až na hranici. Měli jsme zvíře, které běhalo na pásu v Duke University na východním pobřeží Spojených států, vytvářeje mozkové bouře potřebné k pohybu. A měli jsme robotické zařízení, robotického humanoida, v japonském Kyotu, v laboratořích ATR, který celý svůj život snil o tom být ovládán mozkem, lidským mozkem, mozkem primáta.
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.
Jde zde o to, že mozková aktivita produkovaná pohyby opice byla posílána do Japonska, kde přiměla tohoto robota kráčet, zatímco záznam tohoto kráčení byl zasílán zpět to Duke, takže opice viděla nohy tohoto robota při pohybu přímo před sebou. Takto byla odměňována ne tím, co dělalo její tělo, nýbrž každým správným krokem robota na druhé straně zeměkoule ovládaným její mozkovou aktivitou.
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.
Je zajímavé, že tato zpáteční cesta okolo světa trvala o 20 milisekund méně, než by této mozkové bouři trvalo opustit její hlavu, hlavu této opice, a dorazit do jejího vlastního svalu. Opice pohybovala robotem, který byl šestkrát větší, na druhé straně planety. Toto byl jeden z experimentů, v němž byl robot schopen samovolně kráčet. Toto je CB1 plnící si svůj sen v Japonsku ovládán mozkovou aktivitou primáta.
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.
Takže kam nás tohle všechno přivádí? Co uděláme s veškerým tímto výzkumem, kromě studia vlastností tohoto dynamického vesmíru, který máme mezi ušima? Naším záměrem je vzít veškeré tyto znalosti a technologie a vyzkoušet napravit jedno z nejhorších neurologických postižení, která ve světě máme. Miliony lidí ztratily schopnost převést tyto mozkové bouře do akce, do pohybu. Přestože jejich mozky i nadále produkují tyto bouře představující pohyby, tyto nemohou překročit bariéru vytvořenou přerušením páteře.
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.
Takže naším záměrem je vytvořit spojku s použitím těchto mozkovo-přístrojových rozhraní, které by četly tyto signály, mozkové bouře většího rozsahu, které obsahují touhu znovu se hýbat, spojit přerušení pomocí počítačového mikroinženýrství a poslat je do nového těla, celého těla zvaného exoskeleton, celý robotický oblek, který by se stal novým tělem pro pacienty.
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.
A zde můžete zhlédnout obrázek vytvořený tímto sdružením. Toto je neziskové sdružení zvané Walk Again Project [Projekt kráčej znovu] který sdružuje vědce z Evropy a odsud, ze Spojených států a Brazílie, aby spolupracovali na vytvoření tohoto nového těla -- těla se stejnými umělými mechanismy, které Auroře a jiným opicím dovolují používat tyto nástroje skrze mozkovo-přístrojové prostředí a které nám dovoluje začlenit tyto nástroje, jež vytváříme a používáme každý den. Doufáme, že tentýž mechanismus těmto pacientům dovolí nejen znovu si představit pohyby, které chtějí provést a převést je do pohybů tohoto nového těla, ale také aby toto tělo bylo začleněno jako nové tělo ovládané mozkem.
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.
Tedy před 10 lety mi bylo řečeno, že se tohle nikdy nestane, že je to skoro nemožné. A jako vědec vám mohu říci jediné, vyrůstal jsem v jižní Brazílii v polovině 60. let a sledoval jsem, jak nám pár šílenců tvrdilo, že půjdou na Měsíc. Bylo mi pět let a nikdy jsem nechápal, proč k tomu NASA nenajala kapitána Kirka a Spocka; konec konců, byli v tom velmi zdatní -- ale jen vidět to jako dítě mě přimělo věřit, jako mi má babička říkávala, že "nemožné je jen možné, v jehož realizaci někdo nevložil dost úsilí".
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."
Takže mi bylo řečeno, že je nemožné přimět někoho kráčet. A já si myslím, že dám raději na radu svojí babičky.
So they told me that it's impossible to make someone walk. I think I'm going to follow my grandmother's advice.
Děkuji vám.
Thank you.
(Potlesk)
(Applause)