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.
Neuromokslai, kuriais aš ir mano kolegos užsiimame, yra panašūs į meteorologiją. Mes visad vaikomės audrų. Norime pamatyti ir išmatuoti audras - tai yra, audras smegenyse. Visi kalbame apie smegenų audras kasdieniame gyvenime, bet retai kada pastebime ar klausomės vienos iš jų. Taigi, mano mėgstamiausias būdas pradėti kalbą yra supažindinant su viena iš jų.
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.
Iš tiesų, kai pirmąkart užregistravome daugiau nei vieną neuroną - šimtą smegenų ląstelių vienu metu - mes galėjome išmatuoti šimto ląstelių elektros kibirkštis viename gyvūne. Štai pirmoji mūsų gauta nuotrauka, pirmosios 10 to įrašo sekundžių. Taip užfiksavome mažą minties fragmentą ir galėjome į jį pažvelgti.
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.
Visada sakau studentams, kad neuromokslininkai yra kaip astronomai, nes mes susiduriame su sistemomis, kurių ląstelių kiekis gali būti palyginimas tik su galaktikų skaičiumi visatoje. Ir štai, mes, iš milijardų neuronų, prieš 10 metų užregistruodavome tik šimtą. Šiandien mokame užregistruoti tūkstantį. Mes tikimės suprasti šį tą esminio apie žmogišką prigimtį. Nes jeigu dar nežinote, viskas, ką mes vadiname žmogiškąja prigimtimi, yra nulemta neuronų audrų. Neuronų, kurie cirkuliuoja mūsų smegenų kalneliais ir slėniais, taip apibrėždami mūsų prisiminimus, mūsų įsitikinimus, mūsų jausmus, mūsų ateities planus. Viskas, ką darome, viskas, ką kiekvienas žmogus kada nors yra padaręs, daro ar dar padarys, yra nulemta neuronų populiacijų, sukuriančių šias audras.
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.
O smegenų audros garsas, jeigu tokio dar nesat girdėję, yra kažkas panašaus į šitai. Pagarsinkite, jei įmanoma. Mano sūnus tai vadina "kukurūzų spraginimas klausantis gergždžiančio radijo. " Tai yra smegenys. Štai kas nutinka, kai nukreipi šias elektrines audras į garsiakalbį ir klausaisi šimtų aktyvuojamų smegenų ląstelių. Jūsų smegenys skambėtų štai taip - mano smegenys irgi, bet kurios smegenys. Ir mes, neuromokslininkai, šiuo metu norime klausytis šių simfonijų, smegenų simfonijų, ir bandyti iššifruoti, kokias žinutes jos perduoda.
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.
Ir tam tikslui, prieš maždaug 12 metų mes sukūrėme aparatą, kurį pavadinome smegenys-mašina sąsajos. Čia matote schemą, kuri vaizduoja, kaip jos veikia. Idėja tokia. Panaudokime daviklius, kurie fiksuoja šias audras, šią elektrinę veiklą, pabandykite pastebėti, kaip ši audra palieka gyvūno smegenis ir eina jo kojų ar rankų link - apie pusė sekundės - galbūt galėsime užfiksuoti šiuos signalus ir suprasti judesio informaciją, kuri slypi juose. Tada paverstume ją į skaitmenines komandas ir nusiųstume dirbtiniam mechanizmui, kuris realiu laiku atkartotų smegenų kuriamus motorinius judesius. Ir pamatyti, kaip tiksliai mes galime suprasti siunčiamą informaciją lygindami su tikraisiais gyvūno kūno judesiais.
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.
Ir jeigu mes galėtume sukurti atgalinį ryšį per jutiklinius signalus, kurie iš roboto rankos, mechaninės, kompiuterinės pavaros, kuri jau yra kontroliuojama smegenų, eitų atgal į smegenis, kaip smegenys reaguotų į šituos iš dirbtinės galūnės gaunamus signalus.
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.
Būtent tai mes ir pabandėme prieš 10 metų. Viską pradėjome kartu su super žvaigžde beždžionėle Aurora, kuri tapo viena iš super žvaigždžių šioje srityje. Aurora mėgo žaisti vaizdo žaidimus. Kaip matote, ji mėgsta naudotis vairalazde, kaip ir bet kuris iš mūsų ar mūsų vaikų žaistų šitą žaidimą. Ir kaip geras primatas, ji netgi bando gudrauti prieš randant teisingą atsakymą. Taigi, netgi prieš pasirodant taikiniui, kurį ji turi pažymėti žymekliu, kurį ji valdo vairalazde, Aurora bando surasti taikinį nesvarbu, kur jis yra. Ir ji taip elgiasi, nes kiekvieną kartą, kai ji pažymi taikinį su žymekliu, ji gauna lašą braziliškų apelsinų sulčių. Galiu jus užtikrinti, bet kuri beždžionė padarytų viską už lašelį braziliškų apelsinų sulčių. Iš tiesų, bet kuris primatas taip darytų. Pagalvokite apie tai.
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.
Na, o kol Aurora žaidė šį žaidimą, kaip matėte, atlikdavo tūkstantį bandymų per dieną ir pataikydavo 97 procentus kartų, taip gaudama 350 mililitrų apelsinų sulčių, mes matuodavome jos smegenų aktyvumą ir siųsdavome impulsus roboto rankai, kuri mokėsi atkartoti Auroros judesius. Kadangi esminė idėja ir buvo sukurti sąsają smegenys-mašina ir padaryti taip, kad Aurora sugebėtų žaisti tik galvodama, nenaudodama savo pačios kūno. Jos smegenys kontroliuotų roboto ranką, kuri valdytų kursorių ir pažymėtų taikinį. Mūsų nuostabai, Aurora tai ir padarė. Ji žaidė žaidimą nejudindama savo pačios kūno.
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.
Taigi, visas kursoriaus judėjimas, kurį dabar matote, yra būtent pirmasis kartas, kai ji sugebėjo tai padaryti. Pirmasis kartas, kai ketinimai smegenyse buvo atskirti nuo fizinio primato kūno ir veikė be jo, kontroliuodami dirbtinį prietaisą. Ir Aurora tęsė šį žaidimą, vis rasdama mažą taikinį ir vis gavo apelsinų sulčių, dėl kurių ji ir stengėsi.
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.
Iš tiesų, ji darė visa tai, nes tuo metu jau buvo įgijusi naują ranką. Roboto ranka, kurią matote judančią po 30 dienų nuo pirmojo bandymo, yra valdoma Auroros smegenų ir kursoriumi gaudo taikinį. Ir Aurora žino, kad ji gali žaisti žaidimą su roboto ranka, vis gi ji neprarado gebėjimo naudotis savo biologinėmis rankomis. Ji gali pasikasyti nugarą, pakasyti vieną iš mūsų, žaisti kitą žaidimą. Auroros smegenys įvaldė dirbtinę ranką visoms funkcijoms, kaip jos pačios kūno dalį. Auroros turima savęs tapatybė pasipildė dar viena ranka.
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.
Na, mes tai padarėme jau prieš 10 metų. Prasukime tuos 10 metų. Tik praeitais metais mes suvokėme, kad roboto ranka ar kitas prietaisas visai nereikalingas. Mes galėtume tiesiog sukurti kompiuterinį kūną, avatarą, beždžionės avatarą - dirbtinį kūną. Tuomet avataras gali bendrauti su beždžionėmis, arba galima išmokyti beždžiones suvokti virtualų pasaulį avataro akimis. Mes galime susieti jos smegenų aktyvumą su avataro rankomis ir kojomis.
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.
Iš esmės, mes galime išmokyti gyvūnus valdyti avatarus ir tyrinėti objektus, kurie egzistuoja virtualiame pasaulyje. Šie virtualūs objektai yra išoriškai vienodi, bet kai avataras užlipa ant objektų paviršiaus, jie siunčia elektrinius signalus, kurie atitinka objekto tekstūrą. Šie signalai nukeliauja į beždžionės smegenis ir informuoja jas apie tai, ką avataras palietė. Vos per 4 savaites smegenys išmoksta suprasti šį naują jutimą ir susiformuoja juslinis kelias - kaip naujas pojūtis. Šioje stadijoje smegenys iš tiesų išlaisvinamos, nes jos geba siųsti avatarui judesių komandas. Ir atgalinis ryšys, kuris atkeliauja iš avataro, yra tiesiogiai apdorojamas smegenų be jokio odos įsikišimo.
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.
Taigi, tai ką čia matote yra užduotis. Matysite gyvūną paprasčiausiai liečiantį tris taikinius. Gyvūnas turi pasirinkti vieną jų, kuris garantuoja atlygį - apelsinų sultis, kurių jis taip nori. Pasirinkimas įmanomas tik virtualia ranka. Ranka, kuri neegzistuoja. Būtent tai jie ir daro.
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.
Tai yra visiškas smegenų išlaisvinimas nuo fizinių kūno apribojimų ir judesių suvokimo. Gyvūnas valdo avatarą tam, kad paliestų taikinius. Jis jaučia tekstūrą gaudamas elektrinius signalus tiesiai į smegenis. O smegenys nusprendžia, kuri tekstūra garantuoja atlygį. Beždžionės nemato legendos, kurią jūs matote vaizdo klipe. Tiesą pasakius, jos vistiek nesupranta angliškai, taigi legenda tik jums, kad matytumėte kaip juda teisingas taikinys. Beždžionės jį randa pagal lytėjimo skirtumus ir tada jį pažymi paspausdamos.
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.
Taigi, kai stebime šių gyvūnų smegenis, viršuje matome 125 ląstelių išsidėstymą, rodantį, kaip keičiasi smegenų aktyvumas, elektrinės audros, šiame neuronų bandinyje, kai gyvūnas naudojasi vairalazde. Kiekvienas neurofiziologas žino šį vaizdą. Pagrindinis išsidėstymas rodo, kad šios ląstelės užkoduoja visas įmanomas trajektorijas. Apatinis vaizdas rodo, kas vyksta, kai kūnas nustoja judėti ir gyvūnas valdo roboto ranką arba avatarą. Tokiu greičiu, kaip mes galime perkrauti savo kompiuterius, smegenų aktyvumas pasikeičia ir jau atvaizduoja šį naują įrankį taip, tarsi jis būtų gyvūno kūno dalis. Smegenys susitvarko su tuo taip greitai, kaip tik mes galime išmatuoti.
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.
Visa tai reiškia, kad mūsų savęs suvokimas nepasibaigia su paskutiniu mūsų kūno odos sluoksniu. Jis pasibaigia ties paskutiniais elektronais, kuriuos siunčia mūsų smegenų valdomi įrankiai. Mūsų violončelės, mūsų automobiliai, mūsų dviračiai, mūsų futbolo kamuoliai, mūsų drabužiai - visi jie tampa suvokiami šios nepasotinamos, nuostabios, dinamiškos sistemos, vadinamos smegenimis.
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.
Kaip toli mes galime su tuo nueiti? Eksperimente, kurį darėme prieš kelerius metus, mes tai išbandėme iki ribų. Tai vyko Duke universitete, JAV rytų pakrantėje. Leidome gyvūnui bėgti bėgimo takeliu aktyvuojant smegenis tiek, kiek reikalinga judesiui. Taip pat turėjome robotą, humanoidą Kyoto mieste, Japonijoje, ATR laboratorijoje. Robotą, kuris visą savo gyvenimą svajojo būti kontroliuojamas smegenų, žmogaus arba primato smegenų.
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.
Ką mes padarėme, tai smegenų aktyvumą, kuris sukeldavo beždžionės kūno judesius, siuntėme į Japoniją ir privertėme robotą eiti. O ėjimo vaizdo įrašas buvo transliuojamas atgal į Duke tam, kad beždžionė galėtų matyti roboto kojas einančias tiesiai prieš jos akis. Taip ji gaudavo atlygį ne tik už tai, ką darė jos kūnas, bet ir už kiekvieną teisingą roboto žingsnį kitoje planetos pusėje. Žingsnį, kurį kontroliuoja jos smegenų veikla.
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.
Juokinga tai, kad informacijos kelionė aplink pasaulį užtrunka 20 milisekundžių trumpiau nei užtrunka signalui palikti beždžionės smegenis ir pasiekti jos pačios raumenis. Beždžionė valdė 6 kartus už save didesnį robotą, kuris buvo kitoje planetos pusėje. Štai vienas iš eksperimentų, kuriame robotas ėjo savarankiškai. Tai CB1 įgyvendinantis savo svajonę Japonijoje, kontroliuojamas primato smegenų veiklos.
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.
Taigi, kur mus tai veda? Ką mes žadame daryti su visu šiuo tyrimu, šalia šios dinamiškos visatos, kuri yra tarp mūsų ausų, savybių tyrimo? Na, turime idėją pasinaudoti visomis šiomis žiniomis ir technologijomis ir pabandyti išspręsti vieną sudėtingiausių neurologinių problemų, kuri egzistuoja mūsų pasaulyje. Milijonai žmonių yra praradę galimybę paversti savo smegenų veiklą į judesius. Nors jų smegenys ir toliau rodo aktyvumą bei koduoja judesius, jie niekaip negali įveikti barjero, kuris atsirado pažeidus stuburo smegenis.
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.
Taigi, mes turime idėją sukurti aplinkkelį. Norime panaudoti smegenys-mašina sąsajas signalų nuskaitymui, didesnės apimties signalus, kuriuose slypi troškimas vėl judėti. pasinaudodami kompiuterine mikroinžinerija norėtume apeiti stuburo smegenų sužeidimą ir pasiųsti signalus naujam kūnui, vadinamajam egzo skeletui - roboto kostiumui, kuris taptų tarsi nauju šių pacientų kūnu.
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.
Čia matote iliustraciją, sukurtą susivienijimo. Šis nepelno siekiantis susivienijimas yra pasivadinęs Judėk vėl projektu, kuris suvienijo mokslininkus iš Europos, iš JAV ir Brazilijos. Jie dirba kartu, kad sukurtų šį naują kūną - kūną, kuris, mes tikime, tokiais pačiais būdais, kurie leidžia Aurorai ir kitoms beždžionėms naudotis įrankiais per sąsają smegenys-mašina. ir suteikia mums galimybę valdyti įrankius, kuriuos esame įpratę naudoti kasdieniniame gyvenime. Mes tikimės, kad šis mechanizmas padės šiems pacientams ne tik įsivaizduoti judesius, kuriuos jie nori atlikti ir paversti juos naujojo kūno judesiais, bet ir priversti smegenis suvokti naująjį kūną kaip kažką, ką tiesiogiai valdo smegenys.
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."
Prieš 10 metų man sakė, kad šitai niekada neįvyks, kad tai beveik neįmanoma. Kaip mokslininkas, aš galiu pasakyti viena. Aš užaugau pietų Brazilijoje šeštąjame dešimtmetyje, stebėdamas keletą pakvaišusių vyrukų, sakančių, kad jie nukeliaus į mėnulį. Tuomet buvau penkerių ir niekada nesupratau, kodėl NASA nepasamdė kapitono Kirk ir Spock, kad jie atliktų šį darbą; šiaip ar taip jie juk buvo įgudę -- Bet matydamas tai dar vaikystėje, aš įtikėjau, kad kaip močiutė sakydavo: "neįmanoma yra įmanoma, kai kas nors pasistengia tai įgyvendinti."
So they told me that it's impossible to make someone walk. I think I'm going to follow my grandmother's advice.
Taigi, man sakė, kad neįmanoma suteikti kam nors galimybės vaikščioti. Manau, aš verčiau pasinaudosiu močiutės patarimu.
Thank you.
Ačiū už dėmesį.
(Applause)
(Plojimai)