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.
Neuroştiinţa pe care o practicăm, eu şi colegii mei, seamănă mult cu vânătoarea de furtuni. Pentru că mereu urmărim nişte furtuni. Vrem să vedem şi să măsurăm furtunile – furtunile din creier (brainstorm), vreau să spun. Dar deşi toţi vorbim despre brainstorming în viaţa noastră de zi cu zi, rareori avem ocazia să îl vedem sau ascultăm. Întotdeauna îmi place să încep aceste discursuri chiar arătându-vă una.
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 fapt, prima dată când am înregistrat mai mult de un neuron – o sută de celule ale creierului, simultan – când am măsurat scânteile electrice a o sută de celule ale aceluiaşi animal, asta a fost prima imagine pe care am obţinut-o, primele 10 secunde ale acestei înregistrări. Astfel, am obţinut un mic fragment de gând, pe care l-am văzut chiar în faţa ochilor noştri.
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.
Întotdeauna le spun studenţilor că putem asemăna cercetătorii în neuroștiință cu un fel de astronomi, deoarece avem de-a face cu un sistem care se poate compara ca număr de celule numai cu numărul de galaxii din univers. Şi iată cum, din miliarde de neuroni, am înregistrat, acum 10 ani, doar o sută. Înregistrăm o mie acum. Şi sperăm să înţelegem ceva fundamental despre natura noastră umană. Pentru că, dacă încă nu ştiţi, toate instrumentele de definire a naturii omului vin de la aceste furtuni, de la aceste furtuni care străbat dealurile şi văile creierului nostru şi definesc amintirile, credinţele, sentimentele noastre, planurile noastre de viitor. Tot ce facem, ce am făcut sau vom face vreodată, fiecare dintre noi, necesită truda unor neuroni care produc aceste furtuni.
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.
Iar sunetul unei furtuni neuronale, dacă n-aţi auzit niciodată una, e ceva de genul acesta. Se poate da mai tare. Fiul meu îi spune „a face floricele în timp ce asculţi un post de radio A.M. prost reglat.” Acesta este un creier. Asta se întâmplă când aceste furtuni electrice sunt amplificate printr-un difuzor şi asculţi o sută de neuroni în acţiune. Creierul va suna aşa – creierul meu, orice creier. Noi, neurologii, ca oameni de știință, vrem în acest moment să ascultăm, de fapt, aceste simfonii ale creierului şi să încercăm să extragem din ele mesajele pe care le transmit.
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.
În particular, acum vreo 12 ani am creat ceva pe care l-am numit interfeţele creier-maşină. Iată o schemă care-i descrie modul de funcţionare. Ideea era să punem nişte senzori care să înregistreze aceste furtuni, aceste impulsuri electrice, şi să vedem dacă putem, în timpul necesar pentru ca furtuna să iasă din creier şi să ajungă în picioarele sau în braţele unui animal – aproximativ jumătate de secundă – să vedem dacă putem citi aceste semnale, să extragem mesajele motrice care sunt încorporate în ele, să le transpunem în comenzi digitale şi să le transmitem unui dispozitiv artificial care va reproduce ciclul motor voluntar al creierului în timp real. Şi să vedem dacă putem măsura cât de bine putem traduce acel mesaj comparativ cu felul în care o face organismul.
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.
Şi dacă putem oferi şi feedback, semnale senzoriale care pleacă din acest dispozitiv robotizat, mecanic, computaţional care se află acum sub controlul creierului, înapoi la creier, cum tratează creierul acest feedback şi anume primirea de mesaje de la o maşinărie artificială.
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.
Şi exact asta am făcut acum 10 ani. Am început cu o maimuţică superstar numită Aurora care a devenit unul dintre superstarurile din acest domeniu. Aurorei i-a plăcut să joace jocuri video. Cum se poate vedea aici, îi place să folosească un joystick, ca oricăruia dintre noi, dintre copiii noştri, pentru a juca acest joc. Ca o primată bună ce este, chiar încearcă să trişeze înainte de a ajunge la răspunsul corect. Înainte să apară ţinta pe care ar trebui să o marcheze cu ajutorul cursorului pe care îl controlează cu acest joystick, Aurora încearcă să găsească ţinta, indiferent unde este. Şi dacă reuşeşte, pentru că de fiecare dată când marchează ţinta cu micuţul cursor, primeşte un strop de suc de portocale braziliene. Şi vă pot spune, orice maimuţă va face orice pentru un strop de suc de portocale braziliene. De fapt, orice primată va face orice pentru asta. Gândiţi-vă la asta.
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.
Ei bine, în timp ce Aurora juca acest joc, aşa cum aţi văzut, şi în timp ce făcea o mie de încercări pe zi, reuşind să răspundă corect la 97 la sută din ele şi primind 350 de mililitri de suc de portocale, noi înregistram furtunile creierului produse în capul ei şi le trimiteam la un braţ robotic care învăţa să reproducă mişcările pe care le făcea Aurora. Pentru că ideea era să pornim de fapt această interfaţă creier-maşină şi să îi permitem Aurorei să se joace doar mental, fără a interveni fizic. Furtunile din creierul ei ar controla un braţ care ar muta cursorul şi ar marca ţinta. Şi, spre mirarea noastră, Aurora chiar a făcut asta. A jucat jocul fără să-şi miște corpul.
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.
Deci, fiecare traiectorie a cursorului pe care o vedeţi acum este exact primul moment în care a făcut acest lucru. Acesta este exact primul moment în care o intenţie a creierului a fost eliberată de constrângerile fizice ale unui corp de primată şi a putut acţiona în afara corpului, în acea lume exterioară, doar prin controlul unui dispozitiv artificial. Şi Aurora a continuat să joace jocul, să găsească micuţa ţintă şi să primească sucul de portocale pe care şi-l dorea atât de mult.
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.
Ei bine, a reuşit asta pentru că, la momentul respectiv, a primit un nou braţ. Brațul robotic pe care îl vedeţi aici mişcându-se, după 30 de zile de la prima înregistrare pe care v-am arătat-o, e controlat de creierul Aurorei şi mută cursorul pentru a ajunge la ţintă. Iar Aurora ştie acum că poate juca jocul cu acest braț robotic, dar nu şi-a pierdut capacitatea de a-şi folosi braţele biologice pentru a face ce îi place. Se poate scărpina pe spate, poate să ne scarpine pe noi, poate să se joace alt joc. În toate privinţele, creierul Aurorei a integrat acel dispozitiv artifcial ca pe o extensie a corpului ei. Modelul de sine pe care Aurora îl avea în minte a fost extins cu un braţ suplimentar.
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.
Ei bine, am făcut asta acum 10 ani. Trecem repede peste cei 10 ani. Anul trecut ne-am dat seama că nici măcar nu e nevoie de un dispozitiv robotizat. Putem construi doar un corp computaţional, un avatar, un avatar maimuţă. Şi acesta poate fi folosit pentru ca maimuţicile noastre să interacţioneze cu el sau putem să le învăţăm să îşi asume, într-o lume virtuală, perspectiva la persoana întâi a acelui avatar şi să-şi folosească activitatea creierului pentru a controla mişcările braţelor sau picioarelor avatarului.
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.
Ce am făcut, mai exact, a fost să antrenăm animalele să înveţe cum să controleze aceste avataruri şi să exploreze obiecte care apar în lumea virtuală. Iar aceste obiecte sunt identice vizual, dar când avatarul intersectează suprafaţa acestor obiecte, acestea trimit un semnal electric proporţional cu textura microtactilă a obiectului care merge înapoi direct la creierul maimuţei, informând creierul ce anume atinge avatarul. Şi în doar patru săptămâni, creierul învaţă să proceseze această senzaţie nouă şi dobândeşte o nouă cale senzorială – ca un nou simţ. Acum putem elibera cu adevărat creierul deoarece i se permite să trimită comenzi motorii pentru mişcarea acestui avatar. Iar feedback-ul care vine de la avatar este procesat direct de creier, fără intervenţia pielii.
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.
Deci, vedeţi aici proiectarea sarcinii. Veţi vedea un animal care practic atinge aceste trei ţinte. El trebuie să selecteze una dintre ele, una singură este asociată cu recompensa, sucul de portocale dorit. Trebuie să selecteze ţinta atingând-o cu un braţ virtual, un braţ care nu există. Iar animalul face exact asta.
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.
Este o eliberare completă a creierului de constrângerile fizice ale corpului şi ale motricităţii într-o sarcină perceptivă. Animalul controlează avatarul pentru a atinge ţintele. Şi simte textura primind un mesaj electric direct în creier. Iar creierul decide care este textura asociată cu recompensa. Legendele pe care le vedeţi pe film nu apar şi pentru maimuţă. Şi, oricum, maimuţele nu ştiu să citească în engleză, aşa că le-am inclus doar ca să vedeţi că ţinta corectă îşi schimbă poziţia. Cu toate acestea, maimuţele o identifică prin discriminare tactilă şi o pot selecta prin apăsare.
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.
Prin urmare, atunci când analizăm creierul acestor animale, pe panoul de sus vedem alinierea celor 125 de celule care arată ce se întâmplă în creier, furtunile electrice, din această zonă din creier, când animalul folosește un joystick. Iar asta-i o imagine pe care orice neurofiziolog o știe. Alinierea de bază arată că aceste celule codifică toate direcţiile posibile. Imaginea de jos arată ce se întâmplă când corpul se opreşte din mișcare, iar animalul începe să controleze fie un dispozitiv robotizat, fie un avatar computaţional. La fel de repede cum ne resetăm calculatoarele, activitatea creierului se schimbă pentru a începe să reprezinte acest instrument nou, ca și cum și acesta ar fi o parte a corpului primatei. Creierul asimilează și acest lucru, pe atât de rapid pe cât putem măsura.
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.
Asta ne sugerează că sentimentul conștiinței de sine nu se oprește la ultimul strat de epiteliu al corpului, ci la ultimul strat de electroni ai instrumentelor pe care le controlăm cu creierul. Viorile, mașinile, bicicletele noastre, mingile noastre de fotbal, hainele noastre. toate acestea sunt asimilate de acest sistem vorace, uimitor, dinamic, numit creier.
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.
Cât de departe putem merge? Ei bine, într-un experiment pe care l-am făcut acum câţiva ani, am mers până la limită. Aveam un animal ce alerga pe o bandă de alergare la Universitatea Duke, de pe Coasta de Est a Statelor Unite, producând furtuna din creier necesară pentru a se mișca. Şi aveam un dispozitiv robotizat, un robot umanoid, la Kyoto, Japonia, în Laboratoarele ATR, care a visat întreaga sa viaţă să fie controlat de un creier, un creier uman sau un creier de primată.
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.
Aici activitatea cerebrală care a generat mişcările maimuţei a fost transmisă în Japonia şi a făcut acest robot să meargă, în timp ce imagini cu mersul acestuia au fost trimise înapoi la Duke, astfel încât maimuţa să poată vedea picioarele acestui robot mergând în faţa ei, iar ea să fie recompensată nu pentru ceea ce face corpul ei, ci pentru fiecare pas corect al robotului de pe cealaltă parte a planetei, controlat de activitatea creierului ei.
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.
Un lucru amuzant este că această plimbare în jurul globului a durat cu 20 de milisecunde mai puţin decât e nevoie pentru ca furtuna din creier să plece din cap, capul maimuţei, şi să ajungă la propriii săi mușchi. Maimuţa mișca un robot de şase ori mai mare decât ea, aflat pe cealaltă parte a planetei. Acesta este unul dintre experimentele în care acel robot s-a putut deplasa în mod autonom. Acesta este CB1 din Japonia, al cărui vis se materializează sub controlul activităţii cerebrale a unei primate.
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.
Prin urmare, încotro ne îndreptăm? Ce facem cu toată această cercetare în afară de a studia proprietăţile acestui univers dinamic pe care îl avem între urechile noastre? Ideea este să folosim toate aceste cunoștințe și tehnologii şi să încercăm să rezolvăm una dintre cele mai severe probleme neurologice pe care le avem în lume. Milioane de oameni şi-au pierdut capacitatea de a transpune aceste furtuni din creier în acţiune, în mişcare. Deși creierul lor continuă să producă aceste furtuni şi să codifice pentru mişcări, ei nu pot depăși o barieră creată de o leziune a măduvei spinării.
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.
Prin urmare, ideea noastră e de a crea un by-pass, de a folosi aceste interfeţe creier-maşină pentru a citi aceste semnale, furtuni din creier la scară mai mare, care conţin dorinţa redobândirii mișcării, ocolind leziunea, folosind microingineria computaţională şi trimițând-le către un nou corp, întreg, numit un exoschelet, un costum robotizat întreg, care va deveni noul corp al acestor pacienţi.
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.
Şi puteţi vedea o imagine produsă de acest consorțiu. Acesta este un consorţiu nonprofit numit Walk Again Project și care reunește oameni de ştiinţă din Europa, de aici, din Statele Unite, şi în Brazilia pentru a lucra împreună pentru a construi, de fapt, acest corp nou, un corp despre care credem că, prin aceleași mecanisme din plastic care îi permit Aurorei şi altor maimuţe să folosească aceste instrumente printr-o interfaţă creier-mașină şi care ne permite să încorporăm instrumentele pe care le producem şi folosim în viaţa noastră de zi cu zi. Exact acelaşi mecanism sperăm că va permite acestor pacienţi nu numai să-şi imagineze din nou mişcările pe care doresc să le facă şi să le transpună în mişcările acestui nou corp, ci și ca acest corp să fie asimilat ca fiind noul corp pe care creierul îl controlează.
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."
Acum 10 ani, mi s-a spus că acest lucru nu se va întâmpla niciodată, că-i aproape imposibil. Şi pot să vă spun că eu, ca om de ştiinţă, am crescut în sudul Braziliei, la mijlocul anilor '60, văzând câțiva nebuni care spuneau că vor merge pe Lună. Aveam cinci ani şi nu înţelegeam de ce NASA nu îi angajează pe Căpitanul Kirk și pe Spock pentru aceasta. La urma urmei, erau chiar foarte buni. Doar văzând acest lucru, copil fiind, m-a făcut să cred, așa cum bunica mea obișnuia să-mi spună, că „Imposibilul e doar posibilul pentru care cineva nu a depus suficient efort pentru a-l face să devină realitate.”
So they told me that it's impossible to make someone walk. I think I'm going to follow my grandmother's advice.
Mi-au spus că-i imposibil să faci pe cineva să meargă. Cred că voi urma sfatul bunicii mele.
Thank you.
Vă mulţumesc.
(Applause)
(Aplauze)