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.
See neuroteadus, millega mina ja mu kolleegid tegeleme, sarnaneb sünoptikute tööga. Me ajame alati taga tormi. Me tahame näha ja mõõta "ajutormi" - aktiivsuspuhangu teket. Me räägime "ajutormist" oma igapäevaelus, aga näha või kuulda saame seda harva. Mulle meeldib alustada oma kõnesid, tutvustades kuulajatele, milline see välja näeb.
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.
Esimesel korral, mil suutsime salvestada enam kui ühe neuroni - saja ajuraku tegevuse korraga - suutsime mõõta elektrisähvatusi ühe olendi sajas ajurakus, see on esimene kujutis, mille me saime, esimesed 10 sekundit sellest salvestusest. Me saime kätte väikese mõttevälgatuse ja võisime seda oma silmaga näha.
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.
Ma räägin alati üliõpilastele, et neuroteadlasi võiks nimetada omalaadseteks astronoomideks, sest me tegeleme süsteemiga, mis on rakkude arvult võrreldav ainult galaktikate arvuga universumis. Ja siin on meil miljarditest neuronitest salvestatud kümme aastat tagasi sada tükki. Praegu saame hakkama tuhandega. Ja me loodame mõista midagi põhjapanevat seoses inimolemusega. Sest, kui te seda veel ei tea, kõik, mille abil me inimolemust määratleme, lähtub neist tormidest, neist tormidest, mis rulluvad üle meie aju mägede ja orgude, määratledes meie mälestusi, uskumusi, tundeid ja tulevikuplaane. Kõik, mida me kunagi teeme, kõik, mida ükskõik milline inimene on kunagi teinud või hakkab tegema, nõuab neuronite populatsioonide ränka tööd, et toota selliseid torme.
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.
Kui te seda varem kuulnud ei ole, siis "ajutormi" ehk aktiivsuspuhangu hääl on umbkaudu selline. Võiksite heli valjemaks keerata, kui saate. Minu poeg ütleb selle kohta "popcorni tegemine, samal ajal kuulates valelt sageduselt AM raadiojaama". See on aju. See juhtub siis, kui te suunate need elektrilised tormid kõlarisse ja kuulate, kuidas sada ajurakku laenguid annavad, siis teeb teie aju - minu aju, ükskõik kelle aju - sellist häält. See, mida meie neuroteadlastena praegu teha tahame, on kuulata neid neid ajusümfooniaid ja püüda eraldada sealt sõnumeid, mida nad kannavad.
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.
Täpsemalt, 12 aastat tagasi lõime seadme, mida me nimetame aju ja masina vaheliseks kasutajaliideseks. Siin on skeem, mis kirjeldab selle tööd. Mõte on selles, et paigaldada sensorid, mis kuulavad neid torme, seda laenglemist, ja siis vaadata, kas samal ajal, mil torm lahkub ajust ja jõuab looma jäsemetesse - umbes pool sekundit - vaatame, kas me suudame lugeda neid signaale, eraldada sealt motoorsed sõnumid, mis selles peituvad, tõlkida need digitaalseteks käsklusteks ja saata need tehislikku seadmesse, mis reprodutseerib reaalajas selle aju vabatahtlikke motoorseid käsklusi. Ja vaadata, kas me saame mõõta, kui hästi me oskame seda sõnumit tõlkida, kui me võrdleme seda keha enda liikumisega.
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.
Ja kui me suudame hankida reaalset tagasisidet, aistingusignaale, mis tulevad sellelt robotlikult, mehaaniliselt, arvudel põhinevalt automaadilt, mis on nüüd aju kontrolli all tagasi ajusse, kuidas aju siis sellega toime tuleb, kui ta saab sõnumeid tehislikult seadmelt.
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.
Täpselt seda tegime me 10 aastat tagasi. Me alustasime Aurora nimelise ahv-superstaariga, kellest sai üks selle valdkonna superstaare. Aurorale meeldis videomänge mängida. Nagu te võite siin näha, meeldib talle juhthoova abil mängu mängida nagu ükskõik kellele meist või meie lastest. Ja õige primaadina püüab ta isegi sohki teha, enne kui ta õigele vastusele pihta saab. Isegi enne seda, kui ilmub sihtmärk, millest ta peab üle sõitma kursoriga, mida ta juhthoova abil juhib, püüab Aurora sihtmärki leida, ükskõik, kus see ka ei ole. Ja ta teeb seda, sest iga kord, kui ta väikese kursoriga sihtmärgile pihta saab, antakse talle tilgake brasiilia apelsinimahla. Ja ma võin teile öelda, et ahv on nõus teie jaoks ükskõik mida tegema, kui te annate talle natuke brasiilia apelsinimahla. Tegelikult teeb sedasama iga primaat. Mõelge selle üle.
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.
Samal ajal, kui Aurora mängis seda mängu, mida te nägite, sooritades tuhandeid katseid päevas ja saavutades 97% edu ning 350 milliliitrit apelsinimahla, salvestasime meie aktiivsuspuhanguid tema peas ja saatsime neid robotkäesse, mis õppis matkima liigutusi, mida Aurora tegi. Sest idee oli selles, et käivitada see aju-masina kasutajaliides ja lasta Auroral mängida seda mängu mõtte abil, ilma keha sekkumiseta. Tema aju aktiivsuspuhangud kontrolliksid kätt, mis liigutaks kursorit ja tabaks sihtmärki. Ja meie jahmatuseks sai Aurora sellega hakkama. Ta mängis mängu ilma oma keha liigutamata.
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.
Nii et iga kursori trajektoor, mida te praegu näete, märgib täpselt seda hetke, mil ta sellele pihta sai. See on esimene hetk, mil aju kavatsus vabastati primaadi keha füüsilisest liikumisest ja see suutis tegutseda väljaspool, väliskeskkonnas ainult tehisliku seadme juhtimise teel. Aurora mängis mängu edasi, leidis sihtmärgi üles ja sai apelsinimahla, mida ta himustas.
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.
Ta tegi seda sellepärast, et ta oli saanud endale uue jäseme. Robotjäse, mida te näete siin liikumas on 30 päeva pärast esimest videot, mida ma teile näitasin, Aurora aju kontrolli all ja liigutab kursorit, et sihtmärgile pihta saada. Ja Aurora teab nüüd, et ta saab mängida mängu robotkäega, aga ta pole kaotanud võimet kasutada oma bioloogilisi jäsemeid, et teha, mida tahab. Ta võib sügada selga, sügada kedagi meist, mängida mõnda muud mängu. Igas võimalikus mõttes on Aurora aju selle tehisliku seadme omaks võtnud kui oma keha pikenduse. Kujutis, mis Auroral oma ajus iseendast oli, oli kasvanud ühe lisakäe võrra.
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.
Seda kõike tegime me 10 aastat tagasi. Kerime siit kiiresti 10 aastat edasi. Eelmisel aastal jõudsime arusaamisele, et robotseadet polegi vaja. Me võime lihtsalt ehitada arvutikeha, avatari, ahvi-avatari. Ja me saame kasutada neid selleks, et ahvid nendega suhtleksid või treenida ahve haarama virtuaalmaailmas minarolli seoses selle avatariga ja kasutada ahvi ajutegevust avatari käte või jalgade liigutamiseks.
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.
Nii et me treenisime loomi õppima neid avatare kontrollima ja uurima objekte, mis asuvad virtuaalmaailmas. Need objektid on visuaalselt identsed, aga kui avatar nende pinnast üle libistab, saadavad nad välja elektrisignaali, mis vastab objekti kombitavale mikrotekstuurile ja läheb otse tagasi ahvi ajusse, andes ajule infot selle kohta, mida avatar katsub. Juba nelja nädalaga õpib aju seda uut aistingut töötlema ja omandab uue tajukanali - nagu uue meele. See annab ajule tõelise vabaduse, sest sa võimaldad ajul saata välja motoorseid käsklusi, et avatari liigutada. Ja tagasisidet, mis avatarilt tuleb, töödeldakse otse ajus ilma naha sekkumiseta.
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.
Siin näete selle ülesande skeemi. Te näete, kuidas loom põhimõtteliselt puudutab neid kolme sihtmärki. Ta peab valima neist ühe, sest ainult ühega käib kaasas preemia, apelsinimahl, mida ta tahab. Ta peab valima selle, kasutades virtuaalset kätt, olematut kätt. Ja täpselt seda nad teevadki.
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.
See on aju täielik vabanemine keha füüsilistest piirangutest ja ülesande sooritamise motoorikast. Loom juhib avatari, et sihtmärke puudutada. Ta tajub tekstuuri tänu elektrilistele impulssidele, mis saabuvad otse ajju. Ja aju otsustab, millist tekstuuri seostada preemiaga. Märgistused, mida te näete, ei ole ahvile paista. Ja muuseas, ega nad inglise keelest niikuinii aru ei saa, nii et need on seal ainult selleks, et te saaksite aru, et õige sihtmärk vahetab asendit. Sellegipoolest suudavad nad neid kompimise abil leida ning neid vajutada ja valida.
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.
Kui me vaatame nende loomade aju, näeme ülemisel ribal 125 raku jada, mis näitab, mis juhtub ajutegevusega, elektriliste "tormidega" aju selles neuronite valimis, kui loom kasutab juhthooba. See on pilt, mida tunneb iga neurofüsioloog. Lihtne joondus näitab, et need rakud edastavad koode kõikvõimalikesse suundadesse. Alumisel pildil on näha, mis juhtub, kui keha jääb liikumatuks ja loom hakkab juhtima kas robotseadet või arvutiavatari. Sama kiiresti kui me suudame oma arvuti taaskäivitada, suudab ajutegevus hakata esindama seda uut tööriista, justkui oleks see tööriist osa primaadi kehast. Ka aju assimileerib selle sama kiiresti, kui me suudame mõõta.
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.
See viitab sellele, et meie minateadvus ei lõpe meie keha viimase epiteelkihiga, vaid selle tööriista viimase elektronide kihiga, mida me oma ajuga juhime. Meie viiulid, autod, jalgrattad, jalgpallid, riided... see ablas, uskumatu, dünaamiline organ nimega aju assimileerib nad kõik endasse.
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.
Kui kaugele sellega võib minna? Ühes katses, mille me paar aastat tagasi tegime, viisime selle viimase piirini. Lasime ühel loomal joosta jooksulindil USA Idarannikul asuvas Duke'i Ülikoolis, et tekitada liikumiseks vajalikke aktiivsuspuhanguid ajus. Meil oli robotseade, humanoidrobot, mis asus ATR laboratooriumites Jaapanis, Kyotos, ja oli eluaeg igatsenud, et teda juhiks aju, inimaju või primaadi aju.
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.
Juhtus see, et ajutegevus, mida lõi ahvi liikumine, edastati Jaapanisse, kus see robot pandi kõndima, ja samal ajal edastati kõndimist videoülekande abil tagasi Duke'i, nii et ahv võis näha roboti jalgu enda ees kõndimas. Ta sai preemiaid mitte selle eest, mida tegi ta keha, vaid iga õige sammu eest, mille tegi teisel pool maakera robot, mida juhtis tema ajutegevus.
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.
Naljakas fakt on see, et reis teisele poole maailma võttis aega 20 millisekundit vähem kui aktiivsuspuhangul võtab aega, et lahkuda ahvi peast ja jõuda tema oma lihastesse. Ahv liigutas robotit, mis oli kuus korda suurem kui ta ise ja asus teisel pool planeeti. See on üks neid eksperimente, milles see robot suutis autonoomselt kõndida. Siin on CB1 teostamas oma unistust Jaapanis primaadi ajutegevuse juhtimisel.
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.
Nii et mis on selle kõige eesmärk? Mida me kõigi nende uurimistulemustega pihta hakkame, kui arvata välja meie kõrvade vahel asuva dünaamilise universumi omaduste uurimine? Mõte on võtta kõik need teadmised ja tehnoloogia ja püüda ravida maailma kõige raskemaid neuroloogilisi probleeme. Miljonid inimesed on kaotanud võime tõlkida neid aju aktiivsuspuhanguid liikumisse, liigutustesse. Kuigi nende ajus tekivad jätkuvalt aktiivsuspuhangud ja koodid liikumiseks, ei suuda need ületada seljakeeliku vigastusest tekkinud barjääri.
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.
Niisiis on meie idee luua kõrvaltee, kasutada neid aju-masin kasutajaliideseid, et lugeda signaale, suuremaid aju aktiivsuspuhanguid, mis sisaldavad soovi jälle liikuda juhtida need vigastuse ümbert ringi, kasutades mikromehaanikat ja saata need uude kehasse, kogu keha hõlmavasse eksoskeletti, robotrüüsse, millest saab nende patsientide uus keha.
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.
Te võite näha selle konsortsiumi väljatöötatud kavandit. See on mittetulunduslik konsortsium nimega Walk Again Project, mis koondab teadlasi Euroopast. siit USAst ja Brasiiliast, et teha koos valmis see keha - keha, mis meie arvates suudab samade plastiliste mehhanismide abil, mis võimaldavad Auroral ja teistel ahvidel kasutada neid vahendeid läbi aju-masin kasutajaliidese, ja mis võimaldab meil kaasata tööriistu, mida me oma igapäevaelus toodame ja kasutame. Me loodame, et seesama mehhanism lubab neil patsientidel mitte üksnes kujutada ette liigutusi, mida nad teha tahavad, ja tõlkida neid selle uue keha liigutusteks, vaid et see oleks assimileeritud kui inimese uus keha, mida aju juhib.
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."
Mulle öeldi umbes 10 aastat tagasi, et see ei saa iial teoks, et see on sisuliselt võimatu. Võin teile öelda üksnes seda, et ma olen teadlane, kes kasvas üles Brasiilia lõunaosas 60ndate keskpaigas, jälgides, kuidas mõned hullumeelsed ütlesid meile, et nad sõidavad Kuu peale. Ma olin viieaastane, ega saanud aru, miks NASA ei kasutanud kapten Kirki ja Spocki, et see töö ära teha; lõppude lõpuks said nemad ju väga hästi hakkama - aga nähes seda lapsena pani mind uskuma seda, mida mu vanaema alati ütles: "Võimatu pole muud kui võimalik, mille teostamiseks keegi pole piisavalt palju vaeva näinud."
So they told me that it's impossible to make someone walk. I think I'm going to follow my grandmother's advice.
Mulle öeldi, et on võimatu kedagi kõndima panna. Ma arvan, et ma järgin oma vanaema nõuannet.
Thank you.
Tänan teid.
(Applause)
(Aplaus)