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.
Әріптестеріммен неврологияда айналысатынымыз көп жағынан метеорологтардың жұмысына ұқсайды. Біз дауылдардың соңындамыз. Біз мидағы дауылдарды бақылап, зерттегіміз келеді. Ойталқыға салынатын «ми шабуылын» жиі айтқанымызбен, нағыз ми дауылын сирек көреміз немесе тыңдай аламыз. Дәрістерді сондай тыңдаушылармен танысудан бастағанды жақсы көрем.
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.
Бірінші жазбада біздің бір емес, тұтас бір жүз нейронды түсіріп алуға қолымыз жетті. Бір жануардың жүздеген жасушасының электр разрядын өлшей алдық. Алғашқы 10 секунд жазбада біздің алғанымыз мынау. Ойдың титімдей үзіндісін қарауға мүмкіндік алдық.
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.
Мен студенттерге: "неврологтар — белгілі бір дәрежедегі астрономдар" деймін. Біз жасушалар саны тек әлемдегі галактика санымен теңесер жүйелермен жұмыс істейміз. Міне, 10 жыл бұрын миллиард нейрон арасынан жүз шақтысын жазып ала алдық. Мыңға жуығын жаза аламыз. Адам табиғаты жайлы бірінші дәрежелі бір нәрсені анықтауға үмітіміз бар. Біле жүріңіз, Адам табиғатын анықтайтынның бәрі осы ми қыраттары мен жазықтары үстінде ұйтқып, біздің есіміздегілерге, сенімімізге, сезімімізге, болашақтағы жоспарымызға пішін беретін дауылдармен байланысты. Біздің ісіміздің бәрі де, адам баласы істеген немесе істейтіннің барлығы осындай дауылдарды туғызатын көптеген нейронның ауыр еңбегі.
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.
Бұрын естіп көрмесеңіздер, дауылдың даусы мынадай. Сәл даусын көтерсеңіз болады. Ұлым «радиотолқын дыбысын жарылып жатқан попкорнға ұқсас» екенін айтады. Ал мынау – ми. Осындай электр дауылын динамикаға қосса, мынадай болады: жүздеген жүйке жүйесінің жанғанын естисіз. Миыңыз осылай дыбыс береді. Менікі де, басқалардікі де. Біз, неврологтар, осы симфонияны, ми симфониясын тыңдап, оған жасырынған хабарды ұғуға тырысамыз.
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.
12 жыл бұрын біз "компьютер-ми интерфейсі" дегенді жасап шығардық. Мына схемада қалай жұмыс істейтіні көрсетілген. Идея былай, біз дауылдарды тыңдауға арналған сезгілерді, электр разрядтарын, алып мидан шыққан белгі жануардың қолына және аяғына жететін уақыт аралығында — шамамен жарты секундта осы белгілерді оқып, моторлық құрамын бөліп алуға, оны сандық командаға қайта кодтауға шынайы уақытта мидың ерікті қозғалту ниетін қайта жаңғыртатын жасанды қондырғыға беруге болатынын көрдік. Сосын біздің команданы қайта кодтауымыз қаншалықты жақсы шыққанын дененің өзі жасағанымен салыстыра бағалаймыз.
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.
Біз кері белгіні — мидың бақылауындағы роботталған, механикалық есептеу қондырғысы жіберетін сенсорлық белгіні жасап шығара алсақ, оны миға қайта жіберіп, мидың жасанды механизмнен түскен ақпаратқа қалай әрекет ететінін көргіміз келді.
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.
10 жыл бұрын біз дәл осыны істедік. Біз Аврора атты керемет маймылдан бастадық, ол кейін осы салада даңқты боп кетті. Аврора бейнеойындарды сүйетін. Экранда көрініп тұрғандай, ойнау үшін, бәріміздің балаларымыз сияқты, джойстикті пайдалану ұнайтын. Нағыз примат тәрізді, ол дұрыс жауапты тапқанға дейін, қулық жасауға да тырысты. Джойстиктің көмегімен оның курсормен сызып тастауы керек нысанасы әлі пайда болған жоқ, ал Аврора оны бар экраннан таппақ болуда. Нысананы кішкене курсормен әрбір сызып тастағаны үшін ол бір тамшы бразилия апельсин шырынын алады. Бір тамшы бразилия апельсин шырыны үшін әр маймыл сіз қалағанның бәрін жасайтынына сіздерді сендіре аламын. Немесе кез- келген примат. Осыны ұмытпаңыз.
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.
Сонымен, Аврора күніне мыңдаған сынақтан өтіп, жағдайдың 97%-ында дөп түсіп және 350 миллилитр апельсин шырынын алып, ойнап жатқанда, біз оның басында болып жатқан ми дауылдарын жазып алдық та, Аврора қозғалысын көшіріп салуға үйреніп жатқан роботталған қолға жібердік. Идея: ми мен компьютердің өзара әрекет интерфейсін қосып, Аврораның тек ойын туралы ойлап, бірақ өзі денесін қозғалтпастан ойнайтын қылуда болатын. Оның миы нысаналарды сыза отырып, курсорды қозғалтатын роботталған қолды басқарар еді. Таңданысымызға қарай, Авророда бәрі сәтті шықты. Ол денесін қозғалтпай ойнады.
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.
Мына траекториялар – Аврора оны алғаш түсінгендегі курсордың қозғалысы. Бұл басқарылатын қондырғы көмегімен мидың ниетін примат денесі құрсауынан босатып, сыртқы әлемде жүзеге асырған бірінші жағдай болатын. Аврора ойынын жалғастырып, кішкене нысаналарға дөп түсіп, қалаған апельсин шырынын ала берді.
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.
Оның олай істей алған себебі, сол уақытта онда жаңа қол пайда болған еді. Міне, бірінші, алдыңғы бейне үзіндіден 30 күннен кейінгі роботталған қол мынау. Қолды Аврораның миы басқарып, оны нысанаға тигізу үшін әрлі-берлі жылжытады. Аврора енді өзінің роботталған қолының көмегімен ойнай алатынын біледі, бірақ ол қолдары арқылы, қалаған нәрсесін істеу қабілетін жоғалтпады. Ол өзінің немесе біздің арқамызды қасып береді және басқа ойын ойнай алады. Аврораның миы жасанды қондырғыны, өз денесінің жалғасындай қабылдады деп сенімділікпен ұйғарым жасауға болады. Аврораның өзінде болған дене бейнесі кеңейді, оған тағы бір қол қосылды.
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.
Бұл да 10 жыл бұрын болатын. Қане, 10 жылға алға көшейікші. Былтыр бейненің кеңеюі үшін роботталған қондырғының қажеті жоқ екенін түсіндік. Бар болғаны виртуалды дене, проекция, маймыл аватарын жасау жеткілікті. Маймылдарды аватармен өзара әрекеттесуге үйретуге немесе аватарды қайраткер ретінде, бірінші жақтан виртуалды әлемде қабылдауға және өз миының көмегімен оның аяқ-қол қозғалысын басқаруға болады.
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.
Біз жануарларды осындай проекцияларды басқаруға және виртуалды әлемдегі нысандармен танысуға үйреттік. Бұл нысандар сырттай бір-біріне ұқсас, бірақ аватарлардың біріне қол тигізгенде, миға микротактильді текстураға сәйкес электр белгісі келіп түседі де, миға аватар қолы неге тигенін хабарлайды. Бар-жоғы төрт аптадан соң ми жаңа белгілерді өңдеуге үйреніп, жаңа сенсорлық канал, — жаңа сезім деуге де болады, — жасайды. Осылайша, ми еркіндікке шығады. Енді ол аватарды басқару үшін қозғалыс командаларын жібере алады. Аватардан келіп түсетін кері белгілерді ми терінің қатысуынсыз, тікелей өңдейді.
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.
Экранда тапсырманы көріп тұрсыз. Жануар үш нысанға қол тигізіп, солардың бірін таңдауға тиіс, өйткені ол солардың тек біреуі үшін ғана сый ретінде апельсин шырынын ала алады. Нысанды виртуалды қолдың өмірде жоқ жанасу түйсігіне сүйеніп таңдау қажет. Жануарлар дәл осыны істейді.
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.
Бұл – дененің физикалық шектелуі мен қабылдау кезіндегі қозғалыс жүйкесінен мидың толық босануы. Жануар нысандарға қатысты виртуалды проекцияны басқарады. Және ол электр хабарын тура мида ала отырып, нысан текстурасын сезіне алады. Ал ми болса, қай текстура сыймен байланысты екенін сараптайды. Экранда көрсетілген жазулар маймылдарға көрінбейді. Бәрібір олар ағылшынша оқи алмайды. Жазулар ізделген нысанның тұрған орны өзгеретінін көрсетуге арналған. Бірақ маймылдарға жанасу түйсігі бойынша оларды табудың, басу мен таңдаудың реті бәрібір келеді.
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.
Сондай маймылдың миын қарап көрейікші. Жоғарыдағы —125 жасушадан тұратын блок, ми белсенділігін көрсетеді: джойстик көмегімен ойнаған жануар миындағы нейрондар блогының электрлі дауылдары. Бұл сурет әрбір нейрофизиологқа таныс. Ми жасушалары қозғалыс туралы белгілерді бар ықтимал бағытқа жібереді. Төмендегі суретте дене қозғалмағанда және жануар роботты немесе виртуалды проекцияны басқарғанда не болатыны көрсетілген. Біздің компьютерді қайта жүктегеніміздей, ми белсенділігі жаңа сайманды жануар денесінің табиғи жалғасындай қабылдауға жылдам ауысады. Мидың бұған екпіндей бейімделетіні соншалықты, біз әрең өлшеп үлгереміз.
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.
Бұл біздің өз-өзімізді сезінуіміз теріміздегі эпителийдің соңғы қабатымен аяқталмайтынын дәлелдейді. Бірақ ми көмегімен басқаратын сайман электрондарының соңғы қабатында аяқталады. Скрипка, автокөлік, велосипед, футбол доптары, киім заттардың бәрін «ми» атты тойымсыз, таңғажайып динамикалық жүйе сіңіріп алады.
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.
Оның шегі бар ма? Бірнеше жыл бұрын біз осыны анықтау үшін тәжірибе жүргіздік. АҚШ-тың Шығыс жағалауындағы Дьюк университетіндегі маймыл жүгіріс жолында жүгіріп, қозғалысқа қажет ми дауылын туғызды. Ал Жапониядағы Киото қаласында алдыңғы қатарлы телекоммуникациялық халықаралық зерттеу институтының неврология зертханасында адам примат миынан команда алуды өмір бойы армандаған, адам тәрізді роботымыз болды.
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.
Маймылдың қозғалысын басқарған ми белсенділігі жапон роботына беріліп, ол жүретін болды. Қозғалған роботтан алынған мәліметтер, маймыл жүрген роботтың аяғын көре алуы үшін қайтадан Дьюк университетіне жіберілді. Сөйтіп маймыл сыйды денесінің қозғалысы үшін емес, басқа жарты шардағы роботтың дұрыс қозғалысы мен оны миының басқарғаны үшін алды.
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.
Таңқаларлығы сол, жер шарын айналған белгінің жолы - ми дауылы - маймылдың миынан шығып, бұлшықетке жеткендегінен 20 миллисекунд аз уақыт алды. Маймыл өзінен 6 есе үлкен және әлемнің келесі қиырындағы роботты басқарды. Бұл – роботты автономды жүргізе алған тәжірибелердің бірі. CB1 роботы өз арманын Жапонияда жүзеге асырып жатыр, оны приматтың миы басқарады.
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.
Осының бәрі бізге не береді? Бұл зерттеулердің бәрі, құлақтарымыздың динамикалық әлемнің қасиеттерін тану бізге не үшін қажет? Жинақталған білім мен технологияның көмегімен біз бүгінгінің ең күрделі неврологиялық мәселелерінің бірін шешкіміз келеді. Миллиондаған адам ми белгілерін қимылда, қозғалыста тани білу қабілетінен айырылған. Миы белгі туғызуды жалғастырып, қозғалысқа бұйрық бергенімен, жұлынның зақымдалуынан пайда болған кедергіден өте алмайды.
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.
Біз компьютер мен ми арасындағы өзара әрекет интерфейсін пайдаланып, қозғалыс тілегі шифрленген ми белгілерін, көлемді ми дауылдарын оқуға арналған айналма жол жасағымыз келеді. Компьютерлік микроинженерияның көмегімен зақымдалған тіндерді айналып өтіп, белгіні олардың жаңа денесі экзоскелетке, әлгіндей адамдарға, арналған жаңа денеге айналатын роботталған костюмге бермекпіз.
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.
Экранда «Қайта жүру» жобасының схемасы. Коммерциялық емес «Walk Again Project» [ағылш. «Қайта жүру»] бірлестігі, оған Еуропа, АҚШ және Бразилиия ғалымдары кіреді, олар осындай жаңа дене жасау үшін жұмыс істеуде. Ол дене Аврора мен басқа маймылдардың компьютер мен ми арасында сайманды пайдалануға мүмкіндік беретіндей, пластикмеханизмдер көмегімен өзіміз жасап, күнделікті өмірде пайдаланар саймандарға бейімделуге мүмкіндік береді. Біз осы механизм адамдардың олар жасағысы келген қозғалыс туралы ойлап және ми белгілерін жаңа денеде тауып қана қоймай, оны мимен басқарылатын жаңа дене ретінде қабылдауға да мүмкіндік береді деп үміттенеміз.
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."
Он жыл бұрын маған айтылғаны: "бұл ешқашан болмайды, бұл еш мүмкін емес". Бірақ ғалым ретінде менің айтарым біреу ғана. Мен Бразилияның оңтүстік бөлігінде өстім. 60-жылдың ортасында мен ессіз балалардың айға қалай ұшатындарын айтқанын көрдім. Жасым 5-те болатын, тапсырманы орындау үшін НАСА неге капитан Кёрк пен Спокты жібермегенін түсінбедім, олар бұл істе маман ғой! Алайда, бала болғаныммен, мен бір нәрсені түсіндім. Әжем айтқандай: «Мүмкін емес — мүмкін, тек оның орындалуы үшін әлі ешкім жеткілікті тер төкпеген».
So they told me that it's impossible to make someone walk. I think I'm going to follow my grandmother's advice.
Маған "адамды қайта жүргізу мүмкін емес" дейтін. Ал мен әжемнің ақыл-кеңесіне сүйенемін.
Thank you.
Назарларыңызға рақмет!
(Applause)
( Қол соғу)