Miguel Nicolelis: Ein Affe steuert einen Roboter – nur durch Gedanken!

Können wir unser Gehirn benutzen, um Geräte direkt zu kontrollieren — ohne einen Körper dazwischen? Miguel Nicolelis erzählt von einem erstaunlichen Experiment, in dem ein schlauer Affe in den USA lernt, erst einen Affen-Avatar und dann einen Roboterarm in Japan, allein durch seine Gedanken, zu steuern. Diese Forschung hat große Auswirkungen für Tetraplegiker — und vielleicht für uns alle. (Gefilmt auf der TEDMED 2012.)

Die Neurowissenschaft, die meine
Kollegen und ich praktizieren

ähnelt der Meteorologie.

Wir suchen ständig nach Gewittern.

Wir beobachten und messen
Gewitter – Geistesblitze.

Wir alle sprechen in unserem
Alltagsleben über Geistesblitze,

aber wir sehen oder hören selten einen.

Ich beginne Vorträge gerne damit,

Ihnen einen davon vorzustellen.

Als wir erstmals mehr als
ein Neuron aufgezeichnet haben –

hundert Gehirnzellen gleichzeitig –

konnten wir die elektrischen Entladungen

von hundert Zellen
bei einem Tier messen,

das ist das erste Bild davon,

die ersten 10 Sekunden dieser Aufnahme.

Wir haben hier ein Gedankenbruchstück,

das wir vor uns sehen konnten.

Ich sage den Studenten,

dass man Neurowissenschaftler
auch Astronomen nennen könnte,

denn es geht um ein System,

dessen Anzahl an Zellen
nur vergleichbar ist

mit der Anzahl an
Galaxien im Universum.

Wir haben von Milliarden von Neuronen,

vor 10 Jahren nur 100 aufgezeichnet.

Jetzt erfassen wir 1.000.

Wir hoffen, Wesentliches über
die menschliche Natur zu erfahren.

Vielleicht war Ihnen das
bisher nicht bewusst,

aber wir definieren die menschliche
Natur ausschließlich über

diese Stürme, die über die Hügel
und Täler unseres Gehirns rollen

und unsere Erinnerung,
unsere Vorstellungen,

unsere Gefühle,
unsere Zukunftspläne.

Alles was wir machen,

alles was ein Mensch je
getan hat, tut oder tun wird,

erfordert den Einsatz von Neuronenpopulationen,
um diese Gewitter zu erzeugen.

Der Klang eines Gehirnsturms,
falls Sie noch keinen gehört haben,

ist ungefähr so.

Man kann es noch lauter drehen.

Mein Sohn nennt das
"Popcorn machen, wenn das Radio rauscht".

Das ist ein Gehirn.

So klingen diese elektrischen Stürme
über einen Lautsprecher.

Sie hören die Entladung hunderter Gehirnzellen,

so hört sich jedes Gehirn an.

Als Neurowissenschaftler wollen wir uns

diese Symphonien des Gehirns anhören,

und ihre Botschaften herausfiltern.

Vor etwa 12 Jahren schufen wir

ein Präparat, das wir die Schnittstelle
von Gehirn und Maschine nannten.

Dieses Schema beschreibt, wie es funktioniert.

Die Sensoren sollen den Stürmen,
dieser elektrischen Entladung, lauschen,

und feststellen, ob man in der Zeit,
die der Sturm braucht,

um vom Gehirn zu den Beinen oder
Armen eines Tieres zu gelangen –

etwa eine halbe Sekunde –

die Signale lesen kann,

die enthaltenen motorischen
Signale entnehmen,

sie in digitale Befehle verwandeln

und sie an ein Gerät senden kann,

das die willkürliche Motorik
des Gehirns in Echtzeit abbildet.

Wir beobachten, wie gut wir
das Signal übertragen können,

im Vergleich zur
körpereigenen Weise.

Und ob wir wirklich eine Rückkopplung
über sensorische Signale

vom roboter-mechanischen,
rechnerbasierten Auslöser,

der jetzt vom Gehirn kontrolliert wird,

zurück zum Gehirn, erzeugen können,

und wie das Gehirn Signale verarbeitet,

die von einem künstlichen
Mechanismus ausgehen.

Genau das taten wir vor 10 Jahren.

Wir begannen mit dem
Affen-Superstar Aurora,

der auf diesem Gebiet zu
einem Superstar wurde.

Aurora spielte gerne Videospiele.

Wie Sie hier sehen,

sie benutzte, wie jeder von uns,
beim Spielen gern einen Joystick.

Als braver Primat, versuchte sie sogar
zu mogeln, um die richtige Antwort rauszufinden.

Sogar bevor ein Ziel erscheint,
das sie mit dem

Joystick gesteuerten
Cursor anzielen soll.

versucht Aurora das Ziel
zu finden, egal wo es ist.

Und wenn sie das macht, erhält sie,

jedes Mal wenn sie das Ziel mit
dem kleinen Cursor erfasst,

einen Tropfen brasilianischen Orangensafts.

Und jeder Affe wird alles für Sie tun,

wenn er einen Tropfen
dieses Orangensafts bekommt.

Eigentlich würde das jeder Primat machen.

Überlegen Sie sich das mal.

Während Aurora dieses Spiel spielte

und tausend Versuche am Tag machte

und 97% richtig machte und
350 ml Orangensaft bekam,

zeichneten wir die Gehirnstürme auf,
die in ihrem Kopf enstanden

und sendeten sie an einen Roboterarm,

der lernte die Bewegungen
Auroras zu reproduzieren.

Die Idee war diese Schnittstelle von
Gehirn und Maschine einzuschalten

und Aurora dieses Spiel allein
durch Denken spielen zu lassen,

ohne Eingriff ihres Körpers.

Ihre Gehirnströme würden
einen Arm kontrollieren,

der den Cursor bewegt
und das Ziel erfasst.

Zu unserem Entsetzen,
tat Aurora genau das.

Sie spielte das Spiel,
ohne ihren Körper zu bewegen.

Jede Bewegungslinie des Cursors,
die Sie jetzt sehen,

ist vom ersten Moment,
wo es ihr gelang.

Das ist das allererste Mal,

dass ein Gehirnbefehl vom physischen Bereich
eines Primatenkörpers befreit wurde

und außerhalb davon agieren konnte,

allein durch Steuerung
eines Geräts.

Und Aurora spielte weiter,
fand weiter das kleine Ziel,

bekam weiterhin den
Orangensaft, den sie wollte.

Sie tat das, weil sie damals
einen neuen Arm bekommen hatte.

Der Roboterarm, den Sie hier 30 Tage

nach dem vorhin gezeigten Video
in Bewegung sehen,

ist unter der Kontrolle
von Auroras Gehirn

und bewegt den Cursor,
um das Ziel zu erreichen.

Aurora weiß, dass Sie das Spiel mit Hilfe
dieses Roboterarms spielen kann,

aber sie hat nicht die Fähigkeit verloren,
ihren biologischen Arm zu benutzen.

Sie kann ihren Rücken und jeden von uns kratzen,
sie kann auch etwas anderes spielen.

In jeder Hinsicht hatte

Auroras Gehirn das Gerät

als eine Erweiterung ihres Körpers integriert.

Auroras Selbstbild, das sie im Kopf hatte,

hatte sich erweitert, um einen
weiteren Arm aufzunehmen.

Das haben wir vor 10 Jahren gemacht.

Spulen Sie bloß 10 Jahre vor.

Erst letztes Jahr merkten wir, dass wir
nicht mal ein roboterhaftes Gerät brauchen.

Man baut einfach einen
rechnerbasierten Körper, einen Affen-Avatar.

Diesen kann man nutzen, damit die Affen
entweder damit interagieren können

oder man kann sie so trainieren,
dass sie in einer künstlichen Welt

die Ich-Perspektive des Avatars einnehmen

und mit ihrem Gehirn die Bewegungen
der Arme oder Beine des Avatars kontrollieren.

Grundsätzlich trainierten wir die Tiere,

damit sie lernten,
diese Avatare zu kontrollieren

und Objekte in der
virtuellen Welt zu erforschen.

Diese Objekte sind optisch identisch,

aber wenn der Avatar die Oberfläche
dieser Objekte durchbricht,

senden sie ein elektrisches Signal,
angepasst an die mikrotaktilen Textur des Objekts.

Dieses geht direkt an das Gehirn
des Affen zurück

und teilt dem Gehirn mit,
was der Avatar berührt.

In nur vier Wochen lernt das Gehirn
diesen neuen Sinneseindruck zu verarbeiten

und erzeugt eine neue Sinnesbahn
– ähnlich einem neuen Sinn.

Das Gehirn wird jetzt wirklich befreit,

denn es kann Befehle senden,
um den Avatar zu bewegen.

Und die Rückmeldung vom Avatar
wird direkt vom Gehirn verarbeitet,

ohne die Einbindung der Haut.

Hier sieht man den
Aufbau dieser Aufgabe.

Sie sehen, wie ein Tier
diese drei Ziele berührt.

Und er muss eins auswählen,
denn nur eins führt zur Belohnung,

den Orangensaft, den sie haben wollen.

Und er muss es mit einem nicht
existierenden, virtuellen Arm auswählen.

Und genau das machen sie.

Das ist eine völlige Befreiung des Gehirns

von physischen Beschränkungen des Körpers
und der Motorik in einer Wahrnehmungsaufgabe.

Das Tier kontrolliert den Avatar,
um die Ziele zu berühren.

Und es fühlt die Textur durch elektrische Signale,
die er direkt im Gehirn empfängt.

Das Gehirn bestimmt dann, welche
Textur mit der Belohnung verknüpft ist.

Die Beschriftungen, die Sie im
Film sehen, sieht der Affe nicht.

Und außerdem lesen sie
sowieso kein Englisch,

sind also nur für Sie, damit Sie wissen,
dass das Ziel die Position wechselt.

Sie finden sie durch taktile Unterscheidung

und sie können sie
drücken und auswählen.

Wenn wir nun die Gehirne
dieser Tiere betrachten,

sieht man auf der obersten Tafel
die Ausrichtung von 125 Zellen,

was zeigt, was mit der Gehirnaktivität
passiert, den elektrischen Stürmen,

dieser Auswahl von
Neuronen im Gehirn,

wenn das Tier einen Joystick benutzt.

Das ist ein Bild, das jeder Neurophysiologe kennt.

Die Grundausrichtung zeigt, dass diese Zellen
für alle möglichen Richtungen kodiert sind.

Das untere Bild zeigt, was passiert,
wenn der Körper sich nicht mehr bewegt

und das Tier beginnt, eine roboterhaftes Gerät
oder einen Computer-Avatar zu kontrollieren.

So schnell wie wir unsere
Computer neu einstellen können,

verlagert sich die Gehirnaktivität
um dieses neue Werkzeug abzubilden,

als wenn es ein Körperteil des Primaten wäre.

Das Gehirn erfasst das schneller
als wir messen können.

Das deutet darauf hin, dass unser Selbstbild

nicht bei der Haut
unseres Körpers aufhört,

sondern beim letzten Elektron der Werkzeuge,
die wir mit unseren Gehirnen steuern.

Unsere Violinen, Autos, Fahrräder,
Fußbälle, Kleidung —

sie alle werden in das unersättliche,
dynamische System namens Gehirn integriert.

Wie weit können wir das treiben?

In einem Experiment, das wir vor einigen
Jahren machten, gingen wir ans Limit.

Wir hatten ein Tier, das in einer Tretmühle lief

— an der Duke Universität
an der Ostküste der USA —

und das die notwendigen Gehirnstürme
für die Bewegung produzierte.

Und es gab einen humanoiden Roboter,

in Kyoto, Japan, in den ATR-Laboratorien,

der sein ganzes Leben davon
geträumt hatte, von einem Gehirn,

einem menschlichen oder einem
Primatengehirn, kontrolliert zu werden.

Die Gehirnaktivität, die die
Bewegung im Affen erzeugte,

wurde nach Japan gesendet
und ließ den Roboter laufen,

während eine Videoaufzeichnung dieser
Bewegung wieder an Duke gesendet wurde,

damit der Affe vor sich sah, wie sich
die Beine des Roboters bewegten.

So wurde sie nicht für etwas belohnt,
was ihr Körper machte,

sondern für jeden richtigen Schritt des Roboters
auf der anderen Seite der Erde,

den sie mit ihrer Gehirnaktivität kontrollierte.

Witzigerweise brauchte die Reise
um den Globus 20 Millisekunden weniger,

als der Geistesblitz braucht, um
den Kopf des Affen zu verlassen

und seinen eigenen Muskel zu erreichen.

Der Affe bewegte einen Roboter, auf der anderen Seite des Planeten, der sechsmal größer war.

In diesem Experiment konnte
der Roboter selbständig laufen.

Hier lebt CB1 gerade
seinen Traum in Japan,

kontrolliert von der
Gehirnaktivität eines Primaten.

Wie weit treiben wir das alles?

Was machen wir mit der ganzen Forschung,

außer das dynamische Universum
zwischen unseren Ohren zu studieren?

Wir wollen mit diesem Wissen
und dieser Technologie

eines der schwersten neurologischen
Probleme der Welt auflösen.

Millionen von Menschen haben
die Fähigkeit verloren, diese Hirnströme

in Bewegung umzusetzen.

Obwohl die Gehirne weiterhin diese
Stürme und Bewegungscodes erzeugen,

gelangen sie nicht über die Barriere, die durch eine Verletzung des Rückenmarks entstanden ist.

Wir wollen einen Bypass schaffen,

um mit der Schnittstelle von Gehirn
und Maschine diese Signale zu lesen,

größere Hirnstürme, die das Verlangen
nach Bewegung in sich tragen,

umgehen die Verletzung unter
Nutzung von Mikrotechnologie

und senden es an einen komplett
neuen Korpus namens Ektoskelett,

ein Roboteranzug, der zum neuen
Körper dieser Patienten wird.

Sie sehen hier ein Bild, das von
dieser Gruppe produziert wurde.

Diese gemeinnützige Organisation
nennt sich "Walk Again Project".

Sie führt Wissenschaftler
zusammen, aus Europa,

den Vereinigten Staaten und Brasilien,

um diesen neuen Körper zu bauen –

ein Körper, der es uns ermöglicht, durch
dieselben plastischen Mechanismen,

die Aurora und die anderen Affen ermächtigte, dieses Instrument über diese Schnittstelle zu nutzen,

die Hilfsmittel zu integrieren, die wir
im Alltag produzieren und verwenden.

Wir hoffen, dass genau dieser Mechanismus
diesen Patienten dazu befähigt,

sich die Bewegungen, die sie
machen wollen, nicht nur vorzustellen

und in Bewegungen des
neuen Körpers zu übertragen,

sondern dass dies als neuer, vom Gehirn
gesteuerter, Körper einverleibt wird.

Vor 10 Jahren wurde mir gesagt,

dass es so gut wie unmöglich wäre.

Und ich kann Ihnen das nur als Wissenschaftler sagen,

der in den '60ern im Süden Brasiliens aufwuchs,

und ein paar Verrückte sah, die sagten,
dass sie zum Mond gehen würden.

Ich war fünf Jahre alt

und ich habe nie verstanden, warum die NASA nicht Captain Kirk und Spock für den Job angeheuerte hat;

schließlich waren sie sehr erfahren –

aber das als Kind zu sehen,

ließ mich, wie meine Großmutter
mir oft sagte, glauben,

dass "das Unmögliche nur das Mögliche ist,

um dessen Verwirklichung sich noch
niemand genügend bemüht hat."

Sie sagten mir, es wäre unmöglich
jemanden zum Laufen zu bringen.

Ich werde wohl den Rat
meiner Großmutter befolgen.

Danke.

(Applaus)