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.
O tipo de neurociência que eu e meus colegas praticamos é quase como que metereologia. Estamos sempre caçando tempestades. Queremos ver e medir tempestades -- isto é, tempestades cerebrais. Todos nós falamos sobre tempestades cerebrais no nosso dia a dia, mas nós raramente vemos ou ouvimos uma. Por isso, gosto sempre de começar estas palestras, na verdade, apresentando a vocês uma dessas tempestades.
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.
De fato, na primeira vez que registramos mais de um neurônio -- ou uma centena de neurônios simultaneamente -- nós pudemos medir as descargas elétricas de uma centena de células no mesmo animal. Esta é a primeira imagem que tivemos, os primeiros dez segundos de registro. Registramos, então, uma pequena fração de pensamento, e pudemos vê-lo diante de nós.
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.
Eu sempre digo a alunos que poderíamos dizer que neurocientistas são também meio que astrônomos, porque lidamos com um sistema que só se compara, em termos de quantidade de células, ao número de galáxias que existem no universo. E lá estávamos, dentre bilhões de neurônios, registrando apenas uma centena deles, dez anos atrás. Atualmente, registramos mil deles. E esperamos compreender coisas fundamentais a respeito de nossa natureza humana, pois, se vocês ainda não sabem, tudo que costumamos definir como natureza humana vem dessas tempestades, vem de tempestades que se agitam sobre as montes e vales de nossos cérebros, e definem nossas memórias, nossas crenças, nossas emoções, nossos planos para o futuro. Tudo que um dia viermos a fazer, tudo que qualquer ser humano já tenha feito, faz ou fará requer o trabalho árduo de populações de neurônios, causando esse tipo de tempestade.
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 som de uma tempestade cerebral, caso nunca tenham ouvido uma, é algo parecido com isso. Podem aumentar o som, se for possível. Meu filho chama isso de "fazer pipoca ouvindo uma estação de rádio A.M. mal sintonizada." Isso é um cérebro. Isso é o que acontece quando você canaliza essas tempestades elétricas para um alto-falante e ouve uma centena de neurônios em atividade. Seu cérebro fará este tipo de som -- o meu cérebro, qualquer cérebro. O que queremos agora, enquanto neurocientistas, é, na verdade, escutar essas sinfonias, essas sinfonias cerebrais, e tentar extrair delas as mensagens que carregam.
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.
Em especial, cerca de doze anos atrás, nós criamos um experimento que chamamos de interface cérebro-máquina. Temos aqui um desenho que descreve como isso funciona. A ideia é utilizar alguns sensores que captam essas tempestades, essa atividade elétrica, e verificar se, com a mesma velocidade que essa tempestade leva para ir do cérebro até as pernas ou braços de um animal -- cerca de meio segundo -- se é possível ler esses impulsos, extrair as mensagens motoras que estão embutidas neles, transformá-las em comandos digitais, e enviá-las a um dispositivo artificial, que reproduzirá os comandos motores vindos desse cérebro, em tempo real, bem como tentar medir nossa eficiência na tradução dessa mensagem, tendo por base a maneira com que o corpo faz isso,
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.
e se, de fato, é possível gerar realimentação, isto é, impulsos sensoriais que saem desse acionador robótico-mecânico-computacional, agora controlado pelo cérebro, de volta ao cérebro, e como o cérebro lida com o fato de receber mensagens de uma máquina.
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.
É exatamente isso que fizemos dez anos atrás. Nós começamos com uma macaca famosa, chamada Aurora, que se tornou uma das estrelas dessa área. A Aurora gostava de jogar videogames. Como vocês podem ver aqui, ela gosta de usar um 'joystick', como qualquer um de nós, ou como nossos filhos, para jogar esse jogo. E como boa primata, ela tenta até trapacear, para conseguir acertar. Mesmo antes que apareça um objeto que ela tenha de assinalar com o cursor que ela está controlando com o 'joystick', a Aurora fica procurando o objeto, em todos os cantos. E ela faz isso porque, sempre que ela assinala o objeto com o pequeno cursor, ela recebe um gole de suco de laranja brasileiro. Eu posso garantir que qualquer macaco fará qualquer coisa para vocês, em troca de um golezinho de suco de laranja brasileiro. Na verdade, qualquer primata vai fazer isso. Pensem a respeito.
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.
Bem, enquanto a Aurora jogava, como vocês viram, e realizava mil testes por dia, e conseguia 97% de acertos e 350 ml de suco de laranja, nós registrávamos as tempestades cerebrais que ocorriam em sua cabeça e as enviávamos a um braço robótico que aprendia a reproduzir os movimentos que a Aurora fazia, porque a ideia era, na verdade, ligar essa interface cérebro-máquina e conseguir que a Aurora jogasse só com o pensamento, sem a intervenção de seu corpo. Suas tempestades cerebrais comandariam um braço que moveria o cursor e assinalaria o objeto. E para nossa surpresa, foi exatamente o que a Aurora fez. Ela jogou sem se mover.
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.
Cada movimento do cursor que vocês veem agora, e essa foi a primeira vez que ela conseguiu isso, essa foi exatamente a primeira vez que um estímulo cerebral foi além dos limites físicos do corpo de um primata, produzindo efeitos do lado de fora, nesse universo externo, controlando um braço artificial. Aurora continuava jogando, continuava encontrando o pequeno objeto e ganhando o suco de laranja que ela queria, que ela almejava.
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.
Bem, ela fazia isso porque, àquela altura, ela tinha adquirido um novo braço. O braço robótico, movendo-se neste vídeo gravado trinta dias depois do vídeo que mostrei a vocês anteriormente, está sendo controlado pelo cérebro da Aurora e está movendo o cursor para alcançar o objeto. A Aurora agora sabe que pode jogar com esse braço robótico, mas não perdeu a capacidade de usar seus braços de verdade para o que quiser. Ela consegue coçar as costas, ela consegue coçar um de nós, ela consegue jogar outro jogo. Com toda certeza, o cérebro da Aurora incorporou esse braço artificial como uma extensão de seu corpo. A autoimagem que Aurora tinha em sua mente adaptou-se para assimilar um braço extra.
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.
Bem, fizemos isso dez anos atrás. Vamos avançar dez anos no tempo. No ano passado, descobrimos que nem precisamos de um braço robótico. Podemos criar um corpo virtual, um avatar, um avatar de macaco, e utilizá-lo, na verdade, tanto para que nossos macacos interajam com ele, quanto para treiná-los para que assimilem, num ambiente virtual, a percepção desse avatar em primeira pessoa, e usar sua atividade cerebral para controlar os movimentos dos braços ou pernas do avatar.
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.
Basicamente, o que fizemos foi treinar os animais a fim de que aprendessem a controlar esses avatares e a explorar objetos que aparecessem no ambiente virtual. Esses objetos são visualmente idênticos, mas quando o avatar toca a superfície desses objetos, eles enviam um sinal elétrico, equivalente à textura palpável do objeto, que retorna diretamente ao cérebro do macaco, informando qual objeto o avatar está tocando. Em apenas quatro semanas, o cérebro aprende a processar essa nova sensação, e adquire uma nova via sensorial -- como um novo sentido. Agora, verdadeiramente, você liberta o cérebro, ao permitir que ele envie comandos motores que fazem o avatar se mover, e a resposta que vem do avatar é processada diretamente pelo cérebro, sem a interferência da pele.
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.
O que vocês estão vendo aqui é o resumo da atividade. Basicamente, vocês vão ver um animal tocando três objetos. E ele tem de escolher um, porque apenas um traz a recompensa, o suco de laranja que ele quer ganhar. E ele tem que escolher o objeto com o toque, usando um braço virtual, um braço que não é real. E é exatamente isso que ele faz.
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.
O cérebro se liberta completamente dos limites do corpo físico, num teste de percepção. O animal está controlando o avatar, a fim de tocar os objetos. E ele sente a textura ao receber uma mensagem elétrica diretamente no cérebro. E o cérebro está decidindo que textura está associada à recompensa. As legendas que vocês veem no vídeo não aparecem para o macaco. A propósito, seja como for, eles não sabem ler. Elas aparecem aqui somente para que vocês saibam que o objeto correto está mudando de posição. Mesmo assim, eles conseguem identificar os objetos através do tato, pressionando-os quando querem mostrar sua escolha.
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.
Quando observamos os cérebros desses animais, no quadro de cima, vemos o alinhamento de cento e vinte e cinco células, mostrando o que acontece com a atividade cerebral, com as tempestades elétricas, nessa amostra de neurônios, quando o animal está utilizando um 'joystick'. Essa é uma imagem que todo neurofisiologista conhece. O alinhamento básico mostra que essas células estão enviando sinais em todas as direções possíveis. O quadro de baixo mostra o que acontece quando o corpo para de se mexer, e o animal começa a controlar um braço robótico, ou um avatar. Com a mesma rapidez com que reiniciamos nossos computadores, a atividade cerebral se modifica, a fim de começar controlar essa nova ferramenta, como se ela também fizesse parte do corpo do primata. O cérebro também está assimilando isso, tão rápido quanto podemos mensurar.
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.
Isso sugere que a autopercepção do nosso ser não termina na extremidade da pele do nosso corpo, mas termina na extremidade de elétrons de tudo que estivermos controlando com nossos cérebros. Nossos violinos, nossos carros, nossas bicicletas, nossas bolas de futebol, nossas roupas -- tudo isso acaba sendo assimilado por esse ávido, surpreendente e dinâmico sistema chamado cérebro.
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.
Até onde podemos chegar com ele? Bem, num experimento que realizamos poucos anos atrás, fomos ao extremo. Pusemos um animal numa esteira, na Duke University, na costa leste dos Estados Unidos, produzindo as tempestades cerebrais necessárias para se mover, e tínhamos um robô, um robô humanoide, em Kyoto, Japão, no ATR Laboratories, que sonhou a vida inteira em ser controlado por um cérebro, um cérebro humano, ou o de um primata.
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.
O que aconteceu foi que a atividade cerebral que gerou os movimentos na macaca foi transmitida ao Japão e fez este robô caminhar, enquanto imagens dessa caminhada eram enviadas de volta a Duke, possibilitando que a macaca visse as pernas deste robô andando diante dela. Ela receberia recompensa não pelo que seu corpo fazia, mas pelos passos certos que o robô desse, do outro lado do planeta, controlado pela atividade cerebral dela.
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.
O curioso foi que aquela volta ao redor do mundo levou vinte milésimos de segundo a menos que aquela tempestade cerebral levaria para sair de sua cabeça, da cabeça da macaca, e chegar até suas pernas de verdade. A macaca fez um robô, que era seis vezes maior que ela, se mover do outro lado do planeta. Esse é um dos experimentos em que aquele robô conseguiu caminhar de forma independente. Este é o CB1 realizando seu sonho, no Japão, sob o controle da atividade cerebral de um primata.
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.
Então, aonde vamos chegar com tudo isso? O que vamos fazer com toda essa pesquisa, além de estudar as propriedades desse universo dinâmico que possuímos entre as orelhas? Bem, a ideia é utilizar todo esse conhecimento e tecnologia para tentar reparar um dos mais graves problemas neurológicos que existem no mundo. Milhões de pessoas perderam a habilidade de tranformar essas tempestades cerebrais em ação, em movimento. Apesar de seus cérebros continuarem produzindo essas tempestades e comandos de movimento, eles não conseguem cruzar a barreira que foi criada por uma lesão na medula espinhal.
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.
Então, nossa ideia é criar um caminho alternativo, é utilizar essas interfaces cérebro-máquina para interpretar esses sinais, ou tempestades cerebrais de maior escala, que carregam o desejo de voltar a andar, contornar a lesão, utilizando microengenharia de computador, e enviar esses sinais para um novo corpo, um corpo completo chamado exoesqueleto, um traje robótico completo, que se tornará o novo corpo desses pacientes.
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.
Aqui temos uma imagem produzida por um consórcio, sem fins lucrativos, chamado de Projeto Walk Again, que está unindo cientistas da Europa, daqui dos Estados Unidos e do Brasil, para trabalhar juntos e, de fato, criar esse novo corpo -- um corpo que, por meio da mesma plasticidade cerebral, permite que a Aurora e outros macacos movam essas ferramentas através de uma interface cérebro-máquina, e que nos permite incorporar as ferramentas que produzimos e utilizamos no dia a dia. Esperamos que esse mesmo mecanismo possibilite não apenas que esses pacientes voltem a imaginar os movimentos que quiserem executar e transformá-los em movimentos neste novo corpo, mas que esse corpo seja assimilado como o novo corpo que o cérebro comanda.
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."
Disseram-me, cerca de dez anos atrás, que isso jamais seria possível, que isso beirava o impossível. Só posso dizer a vocês que, como cientista, eu cresci no sul do Brasil, em meados dos anos 60, assistindo alguns caras malucos dizendo [-nos] que eles iriam à Lua. Eu tinha cinco anos de idade, e nunca entendi porque a NASA não contratou o capitão Kirk e o Spok para fazer isso; Afinal, eles eram peritos nisso -- mas ver aquilo quando criança me fez acreditar, como minha avó costumava me dizer, que "o impossível é só o possível que alguém não se esforçou o bastante para que se tornasse realidade".
So they told me that it's impossible to make someone walk. I think I'm going to follow my grandmother's advice.
Disseram-me que era impossível fazer alguém voltar a andar, mas acho que vou seguir o conselho da minha avó.
Thank you.
Obrigado.
(Applause)
(Aplausos)