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.
Neurobiologia, jaką się zajmujemy, przypomina trochę pracę synoptyka. Zawsze gonimy burze. Staramy się dostrzec i zmierzyć burze - dokładnie burze mózgów. Mówimy o nich codziennie, ale rzadko je oglądamy lub słyszymy. Dlatego lubię zaczynać takie rozmowy od pokazania wam tego zjawiska.
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.
Po raz pierwszy zarejestrowaliśmy wiecej niż 1 neuron: 100 komórek mózgowych jednocześnie. Byliśmy w stanie zmierzyć impulsy elektryczne stu komórek jednego zwierzęcia. Oto pierwszy obraz jaki uzyskaliśmy, pierwsze 10 sekund nagrania. Uchwyciliśmy więc skrawek myśli. Mieliśmy go przed oczami.
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.
Zawsze mówię studentom, że neurobiologów można też nazywać astronomami, ponieważ zajmujemy się systemem porównywalnym pod względem komórek do liczby galaktyk we Wszechświecie. 10 lat temu, z miliardów neuronów, udało się zarejestrować tylko sto. Teraz zajmujemy się tysiącem. Mamy nadzieję zrozumieć podstawową prawdę o naturze ludzkiej. Bo trzeba wiedzieć, że wszystko, co mieści się w ramach definicji natury ludzkiej pochodzi właśnie z tych burz, które przetaczają się przez wzgórza i doliny naszych mózgów, określając nasze wspomnienia, przekonania uczucia, plany na przyszłość. Wszystko co robimy, wszystko czego kiedykolwiek dokonał lub dokona człowiek wymaga trudu zastępów neuronów produkujących te właśnie burze.
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.
Dźwięki burzy mózgu, jeśli nie mieliście okazji jej słyszeć, brzmi mniej więcej tak. Możemy zrobić głośniej. Mój syn mówi, że to dźwięk "robienia popcornu w trakcie słuchania źle nastrojonej stacji AM". Oto mózg. Oto co otrzymujemy, jeśli prześlemy elektryczne burze do głośnika, słychać kanonadę setek komórek mózgowych. Tak będzie słychać wasz mózg - mój i każdy inny. My neurobiolodzy, chcemy w tym czasie wsłuchać się w te mózgowe symfonie i wydobyć z nich przekazy, które ze sobą niosą.
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.
Około 12-tu lat temu stworzyliśmy prototyp, który nazwaliśmy interfejsem mózg-komputer. Ten schemat przedstawia jego działanie. Zasada jest taka: bierzemy czujniki, które odbierają te wyładowania elektryczne i sprawdzamy czy da się, w czasie w jakim wyładowanie opuszcza mózg i dociera do kończyn zwierzęcia... Około pół sekundy... odczytać te sygnały. Wydobyć informacje motoryczne, które niosą. Przełożyć je na cyfrowe polecenia i wysłać do sztucznego aparatu, by w czasie rzeczywistym odtworzył ruchy z polecenia tego mózgu. Spróbujemy ocenić na ile udało nam się przełożyć tę wiadomość w porównaniu do tego, jak radzi sobie z tym ciało.
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.
Jeśli tylko możliwe jest uzyskanie wyniku z napędu komputerowego, teraz sterowanego mózgiem, z napędu komputerowego, teraz sterowanego mózgiem, wysyłane z powrotem do mózgu. Jak mózg radzi sobie z przekazem od sztucznego urządzenia. Jak mózg radzi sobie z przekazem od sztucznego urządzenia.
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.
To właśnie robiliśmy 10 lat temu. Zaczęliśmy od małpy imieniem Aurora. Aurora została supergwiazdą w branży. Lubiła gry wideo. Jak widać, spodobał jej się joystick, którym grała jak wielu z nas i nasze dzieci. Jak każdy ssak naczelny, próbuje nawet oszukiwać. Jeszcze zanim pojawi się cel, który ma zakreślić, kursorem kontrolowanym przez joystik, Aurora próbuje go znaleźć. Wodzi kursorem szukając celu, ponieważ za każde trafienie kursorem w cel dostaje kroplę brazylijskiego soku pomarańczowego. Każda małpa zrobiłaby wszystko za kropelkę brazylijskiego soku pomarańczowego. Właściwie działa, to na wszystkie ssaki naczelne. Przemyślcie to.
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.
Gdy Aurora grała w grę, wykonując tysiące prób dziennie i dostając 350 ml soku za z 97 procentową poprawność, nagrywaliśmy burze mózgu powstające w jej głowie i wysyłaliśmy je do mechanicznego ramienia, które uczyło się odtwarzać ruchy wykonywane przez Aurore. Chodziło o to, aby włączyć interfejs mózg-komputer. Tak aby Aurora mogła grać tylko myśląc, bez udziału ciała. Burze w jej mózgu sterowałyby ramieniem, które kierowałyby kursor na cel. Ku naszemu zdziwieniu, tak się właśnie stało. Aurora grała, nie poruszając ciałem.
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.
Każdy tor ruchu kursora, który teraz widać, to jest moment, w którym to uchwyciła. To dokładnie ten moment. Wola mózgu została uwolniona z fizycznej sfery ciała ssaka naczelnego i może oddziaływać na zwnątrz, w zewnętrznym świecie. Dzięki sterowaniu sztucznym urzadzeniem. Aurora grała i trafiała w cel otrzymując sok pomarańczowy, którego pragnęła.
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.
Robiła to dzięki swojemu nowemu ramieniu Tu widać poruszajace się mechaniczne ramię 30 dni później po pierwszym nagraniu, które pokazałem, steruje nim mózg Aurory, porusza kursorem tak, by najechać na cel. Teraz Aurora wie, że może grać tym ramieniem. Ale wciąż może wszystko robić swoimi naturalnymi kończynami Może się podrapać po plecach, podrapać kogoś z nas, pograć w coś innego. Pod każdym względem mózg Aurory przyswoił to sztuczne urządzenie jako przedłużenie jej ciała. Model własnego ciała, jaki Aurora ma w umyśle powiększył się o dodatkowe ramię.
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.
Tego dokonaliśmy 10 lat temu. Przemieścmy się o 10 lat do przodu. W zeszłym roku doszliśmy do tego, że nie potrzeba nawet ramienia robota. Wystarczy ciało komputerowe, awatar małpy. Można go użyć, aby małpy wchodziły z nim w interakcje. Albo nauczyć je, aby w wirtualnym świecie przyjęły pierwszoosobowy punkt widzenia awatara i sterowały kończynami awatara za pomocą mózgu.
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.
Uczyliśmy nasze zwierzęta, jak sterować tymi awatarami i badać obiekty w wirtualnym świecie. Obiekty wyglądają identycznie, ale gdy awatar przekracza ich powierzchnię, wysyłają sygnał elektryczny proporcjonalny do tekstury dotykowej obiektu który trafia bezpośrednio do mózgu małpy, przekazując informację, czego dotyka awatar. W zaledwie kilka tygodni mózg uczy się przetwarzać nowe doznanie i przyswaja nową drogę czuciową - jak nowy zmysł. Teraz naprawdę uwalniamy mózg, pozwalając mu wysyłać polecenia ruchowe sterujące awatarem. Informacja zwrotna od awatara przetwarzana jest bezpośrednio przez mózg. Bez pośrednictwa skóry.
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.
Tu widać schemat zadania. Zobaczycie, jak zwierzę dotyka tych celów. Musi wybrać jeden bo tylko z jednym wiąże się nagroda: sok pomarańczowy, który chce otrzymać. Musi wskazać przedmiot przez dotknięcie wirtualnym ramieniem. Robi to: używa nieistniejącego ramienia.
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.
To pełne wyzwolenie mózgu z fizycznych ograniczeń ciała i mechanizmu w zadaniu poznawczym. Zwierzę steruje awatarem, tak by dotknął celu. Czuje fakturę dzięki przekazom elektrycznym otrzymywanym bezpośrednio do mózgu. Mózg decyduje, jaka faktura wiąże się z nagrodą. Objaśnienia, które widzicie są dla małpy niewidoczne. I tak nie czyta po angielsku. Są wyłącznie po to, żeby można było zobaczyć, że cel zmienia pozycje. A i tak jest w stanie znaleźć je poprzez rozróżnianie dotykowe, nacisnąć i wybrać.
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.
Patrząc na mózgi tych zwierząt, na górnym panelu widać szereg125 komórek prezentujący aktywność mózgu, elektryczne burze tych właśnie neuronów, kiedy zwierzę steruje joystickiem. Każdy neurofizjolog zna ten obraz. Podstawowy szereg pokazuje, że komórki te są kodowane we wszystkich możliwych kierunkach. Dolny palne pokazuje moment, kiedy ciało przestaje się ruszać, a zwierzę zaczyna kontrolować albo robota albo awatara. Jak tylko przeprogramujemy komputer aktywność mózg zmienia się tak, by sterować tym narzędziem jakby było częścią ciała naczelnego. Mózg przyswaja to praktycznie od razu.
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.
Oznacza to, że nasze poczucie "ja" nie kończy się na ostatniej warstwie nabłonka naszego ciała, ale na ostatniej warstwie elektronów urządzeń sterowanych mózgiem. Nasze skrzypce, samochody, rowery, piłki nożne, nasze ubrania... wszystkie stają się przyswajalne przez ten żarłoczny, niesamowity, dynamiczny system - mózg.
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.
Jak daleko możemy się posunąć? Eksperyment, który prowadziliśmy kilka lat temu, sięgnął kresu. Na Duke University na wschodnim wybrzeżu Stanów Zjednoczonych, wsadziliśmy na bieżnię małpę, której mózg emitował burze niezbędne do ruchu. Mieliśmy również człekokształtnego robota, w Kioto, w Japonii w ATR Laboratories. który całe życie marzył, by być sterowanym mózgiem, ludzkim lub naczelnym,
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.
Aktywność mózgu małpy, które wprawiła ją w ruch została przetransmitowana do Japonii i wprawiła w ruch robota kiedy nagranie przesłano z powrotem do Duke małpa mogła zobaczyć spacerującego przed nią robota. Tak by otrzymywała nagrodę nie za to co wykonywało jej ciało, ale za każdy poprawny krok stawiany przez robota po drugiej stronie świata kontrolowany przez aktywności jej mózgu.
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.
Zabawne, że ta cała wymiana trwała o 20 milisekund mniej niż potrzeba burzy mózgu na opuszczenie głowy małpy i dotarcie do jej własnych mięśni. Małpa poruszała robotem sześć razy większym od siebie. To jeden z eksperymentów, w których robot mógł poruszać się samodzielnie . To CB1 w Japonii, spełniający swoje marzenie pod kontrolą mózgu ssaka naczelnego.
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.
Gdzie może nas to zaprowadzić? Jak wykorzystamy te wszystkie badania, oprócz studiowania właściwości tego dynamicznego wszechświata, jaki mamy między uszami? Mamy nadzieję wykorzystać całą tę wiedzę i technologię, by pokonać jedne z najpoważniejszych problemów neurologicznych jakie znamy. Miliony ludzi na całym świecie straciło możliwość przekładania tych neurologicznych burz na ruch. Mimo że ich mózgi nadal produkują burze i kod ruchów, nie są w stanie przekroczyć bariery utworzonej przez zmiany w rdzeniu kręgowym.
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.
Chcemy więc stworzyć obejście tak, by te sygnały były odczytywane przez interfejsy mózg-maszyna Burze o większej skali, które zawierają pragnienie ponownego ruchu omijają uszkodzenie za pomocą komputerowej mikro-inżynierii i wysyłają je do nowego ciała - egzoszkieletu, robota, który stanie się nowym ciałem tych pacjentów.
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.
Oto prototyp wyprodukowany przez konsorcjum. To konsorcjum non-profit o nazwie Walk Again Project, grupujące naukowców z Europy, USA i Brazylii, by wspólnie pracowali nad tym ciałem... Ciało, które za pomocą tych samych mechanizmów pozwoliło Aurorze i innym małpom używać narzędzi przez interfejs mózg-komputer i które pozwala na używanie narzędzi codziennego użytku. Mamy nadzieje, że te same narzędzia pozwolą pacjentom nie tylko wyobrażać sobie ruchy, które chcieliby wykonywać i przekładać je na ruch nowego ciała, ale również scalić się nowe ciało z mózgiem.
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."
Około 10 lat temu powiedziano mi, że to nigdy nie będzie możliwe. Powiem wam, jak naukowiec, dorastałem w południowej Brazylii w polowie lat 60-tych kiedy to kilku szaleńców twierdziło, że poleci na księżyc. Miałem 5 lat i nie potrafiłem zrozumieć czemu NASA nie zatrudniła kapitana Kirka i Spocka, przecież byli zawodowcami.. Ale to, że miałem okazję, to zobaczyć jako dzieciak sprawiło, że uwierzyłem w słowa mojej babci: "niemożliwe jest możliwe, tylko ktoś nie włożył wystarczająco dużo wysiłku, aby to się spełniło. "
So they told me that it's impossible to make someone walk. I think I'm going to follow my grandmother's advice.
Powiedziano mi, że niemożliwym jest, by ktoś znowu zaczął chodzić. Pójdę za radą mojej babci.
Thank you.
Dziękuje.
(Applause)
(Brawa)