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.
Meslektaşlarımla yaptığımız sinir bilim türü neredeyse hava durumu sunucuları gibi. Sürekli fırtınaları kovalıyoruz. Fırtınaları görüp ölçmek istiyoruz -- tabii, beyin fırtınalarını. Günlük hayatımızda beyin fırtınalarından bahsederiz ama çok nadir bir beyin fırtınası görürüz veya dinleriz. Dolayısıyla ben bu konuşmalara size bir beyin fırtınası tanıtarak başlarım.
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.
Aslında, ilk kez birden fazla nöronu -- aynı anda yüz beyin hücresi-- ilk kaydettiğimizde aynı hayvandaki yüz hücrenin elektriksel kıvılcımlarını ölçebildik, ilk elde ettiğimiz görüntü bu, bu kaydın ilk 10 saniyesi. Yani ufacık bir düşünce kesitini alıp, önümüzde görebildik.
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.
Öğrencilere hep derim ki sinir bilimcilere bir çeşit astronot diyebiliriz çünkü uğraştığımız sistemdeki hücre sayısı sadece evrendeki galaksilerin sayısıyla karşılaştırılabilir. Burada da biz, 10 yıl önce milyonlarca nörondan yüz tanesini kaydediyoruz. Şimdi bine çıkardık. Ve insan doğası hakkında temel bir şeyi anlamayı umuyoruz. Çünkü, eğer bilmiyorsanız, insan doğasını tanımlamak için kullandığımız her şey bu fırtınalardan gelir, beyinlerimizin dağları ve vadilerinden yuvarlanan bu fırtınalardan gelir ve hatıralarımızı, inançlarımızı, hislerimizi ve gelecek için planlarımızı tanımlar. Yapmış olduğumuz her şey, tüm insanların yaptığı veya yapacağı her şey nöron nüfuslarının bu tarz fırtınalar yaratmak için çalışmasını gerektirir.
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.
Ve beyin fırtınasının sesi de, eğer daha önce duymadıysanız, böyle bir şeydir. Sesini daha da yükseltebilirsek yükseltelim. Oğlum buna "mısır patlatırken tam çekmeyen bir radyo istasyonunu dinlemek" diyor. Bu bir beyin. Bu elektrik fırtınaları bir hoparlöre yönlendirdiğinizde olan bu yüz beyin hücresinin çalışmasını dinliyorsunuz, sizin beyninizin sesi böyle -- benim beynimin de, herhangi bir beynin de. Sinir bilimciler olarak bizim şu anda yapmak istediğimiz şey, bu senfonileri, beyin senfonilerini dinleyip taşıdıkları mesajları çıkarmaya çalışmaktır aslında.
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.
Tam olarak 12 yıl önce beyin-makine arayüzü adında bir hazırlık yarattık. Burada nasıl çalıştığını gösteren bir şema var. Fikir şu; bu fırtınaları, elektriksel atımları dinlemek için sensörler alalım ve bu sinyalleri, bu fırtınanın bir hayvanın beyninden çıkıp bacaklarına veya kollarına ulaşması için geçen sürede -- yaklaşık yarım saniye -- okuyup, içindeki motor mesajları çıkarıp dijital komutlara çevirdikten sonra, o beynin gerçek zamanlı motor hareketini yaptıracak yapay bir cihaza gönderebiliyor muyuz bakalım. Ve bu mesajı, bedenin hareketi nasıl yaptığı ile karşılaştırdığımızda ne kadar iyi ilettiğimizi ölçüp ölçemediğimizi görelim.
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.
Eğer gerçekten artık beynin kontrolünde olan bu robot, mekanik, bilgisayar düzenekten geri dönen duyusal sinyalleri beyine geri besleme sağlayabilirsek beyin, yapay bir makine parçasından gelen mesajları nasıl alıyor görürüz.
And that's exactly what we did 10 years ago. We started with a superstar monkey called Aurora that became one of the superstars of this field. And Aurora liked to play video games. As you can see here, she likes to use a joystick, like any one of us, any of our kids, to play this game. And as a good primate, she even tries to cheat before she gets the right answer. So even before a target appears that she's supposed to cross with the cursor that she's controlling with this joystick, Aurora is trying to find the target, no matter where it is. And if she's doing that, because every time she crosses that target with the little cursor, she gets a drop of Brazilian orange juice. And I can tell you, any monkey will do anything for you if you get a little drop of Brazilian orange juice. Actually any primate will do that. Think about that.
10 sene önce tam olarak bunu yaptık. Bu alanın süperstarlarından biri haline gelen Aurora adında süperstar bir maymunla başladık. Aurora bilgisayar oyunları oynamayı seviyordu. Burada görebileceğiniz gibi, bizim gibi, çocuklarımız gibi, bu oyunu joystick kullanarak oynamayı seviyor. İyi bir primat olarak, doğru cevabı bulmadan önce hile yapmaya bile çalışıyor. Dolayısıyla bu joystick ile kontrol ettiği imlecin üzerinden geçmesi gereken hedef görünmeden önce bile Aurora nerede olursa olsun hedefi bulmaya çalışıyor. Bunu yapmasının sebebi de, imleci hedeften her geçirişinde bir damla Brezilya portakalı suyu kazanması. Size söyleyebilirim ki tüm maymunlara küçük bir damla Brezilya portakalı suyu için her şeyi yaptırabilirsiniz Aslında tüm primatlara yaptırabilirsiniz. Bir düşünün.
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.
Neyse, Aurora gördüğünüz gibi bu oyunu oynarken ve günde bin deneme yapıp yüzde 97 doğru tutturup 350 mililitre portakal suyu kazanırken biz kafasında oluşan beyin fırtınalarını kaydedip Auroranın yaptığı hareketleri tekrarlamayı öğrenen bir robot kola gönderiyorduk. Çünkü asıl fikir, bu beyin-makine arayüzünü çalıştırıp, Aurora'nın oyunu sadece düşünerek ve bedeninin müdahalesi olmadan oynamasını sağlamaktı. Beyin fırtınaları, imleci hareket ettirip hedefin üzerinden geçecek bir kolu oynatacaktı. Aurora da tam olarak bunu yaparak bizi şaşırttı. Oyunu bedenini hareket ettirmeden oynadı.
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.
Yani burada gördüğünüz imlecin her hareketi, işte bu anladığı ilk an. Bu bir beynin amacının, bir primat bedeninin fiziksel alanından kurtulup dışarıda, o dış dünyada, yapay bir cihazı kontrol ederek hareket ettiği ilk an. Ve Aurora oyun oynamaya, küçük hedefi bulmaya ve istediği, aşerdiği portakal suyunu almaya devam etti.
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.
Bunu, o sırada yeni bir kol elde ettiği için yaptı. Size gösterdiğim ilk videodan 30 gün sonra burada hareket ettiğini gördüğünüz robot kol Aurora'nın beyninin kontrolü altında ve imleci hedefe ulaşmak için hareket ettiriyor. Aurora artık oyunu bu robot kolla oynayabileceğini biliyor, ancak biyolojik kollarıyla istediğini yapma becerisini de kaybetmiş değil. Sırtını kaşıyabilir, bizi kaşıyabilir, başka bir oyun oynayabilir. Yani her yönden Aurora'nın beyni yapay cihazı, bedeninin bir uzantısı olarak dahil etti. Aurora'nın aklında kendisinin yansıması bir kol daha alacak şekilde genişletildi.
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.
Bunu 10 yıl önce yaptık. Şimdi 10 yıl ileriye gidelim. Geçen sene, robot bir cihaza ihtiyaç olmadığını farkettik. Sadece sayısal bir beden, bir avatar, bir maymun avatarı oluşturulabilir. Ve onu maymunlar için bu avatarla iletişime geçmesi için kullanabilir, ya da onları sanal bir dünyada avatarın ilk insan perspektifi olduklarını sanmalarını sağlayacak şekilde eğitebilirsiniz ve onun beyinsel aktivitesini, avatarın kol ve bacak hareketlerini kontrol etmede kullanabilirsiniz.
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.
Bizim yaptığımız basitce hayvanlara avatarlarını nasıl kontrol edeceklerini ve sanal dünyadaki görünen objeleri keşfetmeyi öğretmekti. Ve bu objeler görünüş olarak aynı, fakat avatar bu objelerin yüzeyleriyle kesişince, objenin dokusuna oransal olarak elektriksel bir mesaj yollar, ki bu mesaj direkt olarak maymunun beynine gider, ve avatarın dokunduğu şeyin ne olduğu hakkında beyni bilgilendirir. Ve sadece 4 hafta içinde, beyin bu yeni hissi öğrenir ve yeni bir yol elde eder - yeni bir his gibi. Ve böylelikle beyni tam anlamıyla özgürleştirmiş olursunuz çünkü bu avatarı hareket ettirmek için beynin motor emirler vermesini sağlıyorsunuz. Ve avatardan gelen geri bildirimler tenin müdahalesi olmadan direkt olarak beyin tarafından işletilir.
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.
Bu yüzden burada gördüğünüz şey, görevin tasarlanmasıdır. Bu üç hedefe basitçe dokunan bir hayvanı göreceksiniz. Ve o sadece birini secmek zorunda çünkü sadece biri istedikleri portakal suyu ödülüne sahip. Ve onu sanal bir kol kullanarak dokunma yardımıyla seçmek zorunda, ve bu tamamen yaptıkları şey.
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.
Bu beynin tamamıyla vücudun fiziksel kısıtlamalarından özgürleştirilmesi ve algısal bir vazifeyle görevlendirilmesi. Hayvan, hedeflere dokunması icin avatarı kontrol ediyor ve o direkt olarak beynin içinde elektriksel bir mesaj alarak dokuyu hissediyor, böylece beyin ödülle ilişkilenmiş dokunun ne olduğuna karar veriyor. Filmde gördüğünuz açıklamalar maymun için görünmüyor ve bu arada, onlar zaten İngilizce okuyamıyor, bu yüzden onlar sadece sizin doğru hedefin pozisyon değiştirmekte olduğunu bilmeniz için varlar, ve onlar dokunsal bir ayrımla bulabilirler basıp seçebilirler.
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.
Bu yüzden bu hayvanların beyinlerine baktığımızda, üst panelde beyinsel aktiviteyle elektriksel fırtınaların hayvan bir kumanda kullanıyorken beyindeki nöron örneğiyle ne olduğunu gösteren 125 hücrenin dizilimini görüyorsunuz Ve bu her nörofizyolojistin bileceği bir resim. Basit bir dizilim, bu hücrelerin mümkün olan her yönde kodlama yaptığını gösterir. Aşağıdaki resim vücut hareket etmeyi durdurduğunda ve hayvan robotik bir araç ya da sayısal bir avatarı kontrol ettiğinde ne olduğunu gösteriyor. Bilgisayarlarımızı en hızlı bir şekilde yeniden konumlar konumlamaz beyinsel aktivite bu yeni aracı sanki bu da primat vücudunun bir parçasıymış gibi ifade etmeye başlar. Beyin onu da ölçebildiğimiz en hızlı bir şekilde özümsüyor.
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.
Bu bize, benlik hissimizin vücutlarımızın son doku tabakasında bitmediğini, fakat beynimizin emirleriyle oluşan araçların elektronlarının son tabakasıyla bittiğini belirtiyor. Kemanlarımız, arabalarımız, bisikletlerimiz, futbol toplarımız, giysilerimiz - bunların hepsi beyin adı verilen bu tür doyumsuz, şaşırtıcı ve dinamik bir sistem tarafından özümseniyor.
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.
Bunu ne kadar ileriye götürebiliriz? Birkaç yıl önce yaptığımız bir deneyde, bunu denedik. Amerika'nın Doğu kıyısında Duke Üniversitesi'nde bir bandın üzerinde koşan bir hayvanla, hareket etmek için gereken beyin fırtınalarını oluşturduk. Kyoto, Tokyo'da ATR Laboratuarı'nda tüm yaşamı boyunca bir beyin, bir insan beyni ya da bir primat beyni tarafından kontrol edilmeyi hayal eden robotik bir aracımız ve insansı bir robotumuz vardı.
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.
Burada olan şey şu ki, hareketleri meydana getiren beyin aktivitesi Japonya'ya transfer edildi ve bu robotu yürüttü bu sırada bu yürüyüşün ölçümü de Duke'e gönderildi, böylece önünde yürüyen bu robotun bacaklarını maymun görebiliyordu. Böylece ödüllendirilmiş oluyordu, fakat bu ödül vücudunun yaptığından dolayı değil gezegenin öbür tarafında, beyin aktivitesi tarafından kontrol edilen robotun her bir doğru hareketi sebebiyleydi.
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.
Komik olan, bu dairesel hareket, maymunun kafasından ayrılan ve kendi kasına ulaşan beyin fırtınalarından 20 milisaniye daha az sürmesi. Maymun, gezegenin bir ucundan diğer ucuna 6 kat daha büyük olan bir robotu hareket ettiriyordu. Bu, robotun tek başına yürüyebildiğini gösteren deneylerden biri. Bu Japonya'da bir primatin beyin aktivitesinin kontrolüyle gerçekleşen bir rüyadır.
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.
Peki bunu nereye doğru götürüyoruz? Kulaklarımızın arasında sahip olduğumuz bu dinamik evrenin özelliklerini çalışmanın yanında, tüm bu araştırmayla ne yapacağız? Aslında fikir şu ki, tüm bu teknoloji ve bilgiyi alıp dünyada sahip olduğumuz nörolojik problemlerden birini tamir etmeyi denemek. Milyonlarca insan bu beyin fırtınalarını gerçek hareketlere dönüştürme yetisini kaybetti. Beyinleri bu fırtınaları ve hareketler için kodları yaratmaya devam etmesine karşın, omuriliklerindeki bir lezyon tarafından yaratılan bariyeri geçemiyorlar.
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.
Bu yüzden fikrimiz, bir kestirme yol yaratmak ve bu sinyallari, sayısal mikromühendisliği kullanan lezyonu atlayan, yeniden hareket etme isteğini içeren geniş ölçekli beyin fırtınalarını okuyacak beyin-makina arayüzlerini kullanmak ve bunu yeni bir vücuda, dış iskelet adı verilen bütün bir vücuda, bu hastaların yeni bir vücudu olacak bütün bir robotik takıma göndermek.
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.
Ve bu birlik tarafından üretilen resmi görebilirsiniz. 'Yeniden Yürü' adındaki bu proje kâr amacı gütmeyen, Avrupa'dan, buradan Amerika'dan ve Brezilya'dan inşa edilecek bu yeni vucut, ki bu Aurora ve diğer maymunlara beyin-makina arayüzü yoluyla bu araçları kullanmalarına izin veren ve günlük hayatımızda kullandığımız gereçleri kapsayan aynı plastik mekanizmalara sahip olduğuna inandığımız bu vücut üzerinde çalışacak bilim adamlarını bir araya getiren bir birliktir. Aynı mekanizma, umuyoruz ki, bu hastalara yapmak istedikleri hareketleri yeniden yapabileceklerini hayal etmelerine izin vermekle ve bunları hareketlere dönüştürmekle kalmayıp, kontrol eden beynin yeni vücudunu özümseyecek bu vücuda dönüştürecek.
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."
10 yıl önce bana dendi ki, bunun olması imkansıza yakın ve hiçbir zaman böyle bir şey olmayacak. Bir bilim adamı olarak diyebilirim ki, 60'lı yılların ortalarında Güney Brezilya'da Ay'a gideceğini söyleyen birkaç çılgın adamı izleyerek büyüdüm. Ve 5 yaşımda, NASA'nın niçin Kaptan Kirk ve Spock'u işe almadığını hiçbir zaman anlamadım, sonuçta bu çok kârlı olurdu, fakat bir çocuk olarak, büyük annemin de söylediği gibi şuna inandım: İmkansız, birinin onun gerçekleşmesi için yeterli çabayı yeteri kadar göstermemesinden kaynaklanan ama aslında mümkün olan bir şeydir.
So they told me that it's impossible to make someone walk. I think I'm going to follow my grandmother's advice.
Bu yüzden bana dediler ki, birini yürütmek imkansızdır. Sanırım büyük annemin tavsiyesini dinleyeceğim.
Thank you.
Teşekkürler.
(Applause)
(Alkışlar)