Ένας πίθηκος που ελέγχει ένα ρομπότ με τη σκέψη του. Όχι, στ' αλήθεια το κάνει

Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τον εγκέφαλό μας για να ελέγξουμε απ' ευθείας μια μηχανή, χωρίς να χρειάζεται να μεσολαβήσει το σώμα μας; Ο Μιγκέλ Νικολέλις περιγράφει ένα εκπληκτικό πείραμα, όπου ένας ευφυής πίθηκος στις ΗΠΑ μαθαίνει να ελέγχει ένα άβαταρ πιθήκου και στη συνέχεια ένα ρομποτικό χέρι στην Ιαπωνία μόνο με τη σκέψη του. Η έρευνα έχει σημαντικές συνέπειες για τους τετραπληγικούς και ίσως και για όλους μας.
(Βιντεοσκοπήθηκε στο TEDMED 2012)

Το είδος των νευροεπιστημών
που κάνουμε εγώ και οι συνάδελφοι μου

μοιάζουν πολύ
με τη δουλειά του μετεωρολόγου.

Αναζητούμε διαρκώς καταιγίδες.

Θέλουμε να δούμε και να μετρήσουμε
καταιγίδες, για την ακρίβεια, ιδεο-καταιγίδες.

Και ενώ όλοι μας μιλάμε για τις ιδεο-καταιγίδες
στην καθημερινή μας ζωή,

σπανίως βλέπουμε ή ακούμε κάποια.

Έτσι, μου αρέσει να αρχίζω
πάντα αυτές τις ομιλίες

παρουσιάζοντάς σας, πράγματι, μια από αυτές.

Στην πραγματικότητα, την πρώτη φορά
που καταγράψαμε παραπάνω από ένα νευρώνα,

εκατό εγκεφαλικά κύτταρα ταυτόχρονα,

μπορέσαμε να μετρήσουμε
τους ηλεκτρικούς σπινθήρες

εκατό κυττάρων του ίδιου ζώου

και αυτή είναι η πρώτη εικόνα που πήραμε,

στα πρώτα 10 δευτερόλεπτα αυτής της καταγραφής.

Έτσι, πήραμε ένα μικρό δείγμα μιας σκέψης

και μπορούσαμε να τη δούμε μπροστά μας.

Πάντα λέω στους φοιτητές

πως οι νευροεπιστήμονες είναι
κατά κάποιο τρόπο σαν αστρονόμοι,

καθώς έχουμε να κάνουμε με ένα σύστημα

που, από άποψη αριθμού κυττάρων,
μπορεί να συγκριθεί μόνο

με τον αριθμό των γαλαξιών
που υπάρχουν στο σύμπαν.

Να 'μαστε τώρα, από τα
δισεκατομμύρια των νευρώνων

καταγράψαμε μόλις εκατό πριν από 10 χρόνια.

Φτάσαμε στα χίλια τώρα

Ελπίζουμε να κατανοήσουμε κάτι το θεμελιώδες
σχετικά με την ανθρώπινη φύση μας.

Γιατί, αν δεν το γνωρίζετε ήδη,

όλα εκείνα που ορίζουν την ανθρώπινη φύση
προέρχονται από αυτές τις καταιγίδες,

που κυλάνε πάνω στους λόφους και
στις κοιλάδες του εγκεφάλου μας

και καθορίζουν τις αναμνήσεις μας, τα πιστεύω μας,

τα συναισθήματα μας, τα σχέδια μας για το μέλλον.

Για ό,τι κάνουμε οποιαδήποτε στιγμή,

για οτιδήποτε ο κάθε άνθρωπος έκανε ποτέ,
κάνει τώρα ή θα κάνει στο μέλλον,

απαιτείται σκληρή δουλειά από τους πληθυσμούς
των νευρώνων που παράγουν τέτοιες καταιγίδες.

Ο ήχος μιας ιδεο-καταιγίδας,
σε περίπτωση που δεν τον έχετε ακούσει,

είναι κάπως έτσι.

Δυναμώστε το, αν μπορείτε.

Ο γιος μου λέει είναι "σαν να φτιάχνεις ποπκόρν, ακούγοντας έναν σταθμό στα μεσαία με κακή λήψη".

Αυτός είναι ένας εγκέφαλος.

Αυτό ακούγεται όταν συνδέσουμε
αυτές τις ηλεκτρικές καταιγίδες με ένα μεγάφωνο

και ακούσουμε τις ριπές εκατό εγκεφαλικών κυττάρων.

Ο εγκέφαλος σας ακούγεται κάπως έτσι.
Και ο δικός μου και όλων μας.

Και αυτό που θέλουμε εμείς
οι νευροεπιστήμονες να κάνουμε τώρα

είναι να ακούσουμε πράγματι αυτές τις συμφωνίες,
αυτές τις εγκεφαλικές συμφωνίες,

και να προσπαθήσουμε να αποσπάσουμε από αυτές
τα μηνύματα που μεταφέρουν.

Συγκεκριμένα, περίπου πριν από 12 χρόνια

δημιουργήσαμε μια εφαρμογή
που ονομάσαμε διεπαφές εγκεφάλου-υπολογιστή.

Εδώ βλέπετε ένα σχεδιάγραμμα
που περιγράφει τη λειτουργία τους.

Ο σκοπός είναι να τοποθετήσουμε μερικούς αισθητήρες που θα ακούνε αυτές τις καταιγίδες,

αυτές τις ηλεκτρικές ριπές,και να προσπαθήσουμε,
στον ίδιο χρόνο που χρειάζεται

αυτή η καταιγίδα να φτάσει από τον εγκέφαλο
στα πόδια ή τα χέρια ενός ζώου,

περίπου μισό δευτερόλεπτο --

να προσπαθήσουμε να διαβάσουμε
αυτά τα σήματα,

να αποσπάσουμε τα κινητικά μηνύματα
που περιέχουν,

να τα μεταφράσουμε σε ψηφιακές εντολές

και να τα στείλουμε σε μια τεχνητή συσκευή που

θα αναπαράγει αυτήν την εκούσια μετάδοση κίνησης
του εγκεφάλου σε πραγματικό χρόνο.

Να προσπαθήσουμε να μετρήσουμε πόσο καλά
μπορούμε να μεταφράσουμε αυτό το μήνυμα

σε σύγκριση με τον τρόπο
που το σώμα μας το κάνει αυτό.

Αν όντως μπορούμε
να παράσχουμε ανατροφοδότηση,

με αισθητηριακά σήματα που επιστρέφουν από το ρομποτικό, μηχανικό, υπολογιστικό ενεργοποιητή

που ελέγχεται τώρα από τον εγκέφαλο,

πίσω στον εγκέφαλο,

και πώς αντιδρά ο εγκέφαλος,

στη λήψη μηνυμάτων
από κάτι τεχνητό, ένα μηχάνημα.

Ακριβώς αυτό κάναμε πριν από 10 χρόνια.

Ξεκινήσαμε με ένα μεγάλο σταρ,
έναν πίθηκο, την Αουρόρα

που έγινε μια από τις μεγαλύτερες σταρ
σε αυτόν τον επιστημονικό τομέα.

Στην Αουρόρα αρέσει να παίζει
ηλεκτρονικά παιχνίδια.

Όπως μπορείτε να δείτε εδώ,

της αρέσει να χρησιμοποιεί τον μοχλό, όπως στον
καθένα μας, στα παιδιά μας, για να παίξει.

Ως σωστό πρωτεύον θηλαστικό, προσπαθεί ακόμη
και να κλέψει πριν βρει τη σωστή απάντηση.

Έτσι, πριν ακόμα εμφανιστεί ο στόχος, πάνω
από τον οποίο θα πρέπει να περάσει τον κέρσορα,

που ελέγχει με αυτόν τον μοχλό,

η Αουρόρα προσπαθεί να βρει το στόχο,
ασχέτως με το που βρίσκεται αυτός.

Και όταν το κάνει,

κάθε φορά που περνάει το μικρό κέρσορα
πάνω από αυτόν τον στόχο,

της δίνεται μια σταγόνα βραζιλιάνικης πορτοκαλάδας.

Σας λέω με σιγουριά, ο οποιοσδήποτε πίθηκος
θα κάνει ό,τι του ζητήσετε

αν του δώσετε μια σταγόνα βραζιλιάνικης πορτοκαλάδας.

Για την ακρίβεια, όλα τα πρωτεύοντα θηλαστικά
το ίδιο θα κάνουν.

Για σκεφτείτε το λίγο αυτό.

Καθώς η Αουρόρα
έπαιζε το παιχνίδι, όπως είδατε,

και έκανε χίλιες δοκιμές την ημέρα

με 97% ευστοχία και 350ml πορτοκαλάδας,

εμείς καταγράφαμε τις ιδεοκαταιγίδες
που παράγονταν στο μυαλό της

και τις στέλναμε σε ένα ρομποτικό χέρι

που μάθαινε να αναπαράγει τις κινήσεις
που έκανε η Αουρόρα.

Γιατί ο σκοπός ήταν να ενεργοποιήσουμε στην ουσία
αυτήν τη διεπαφή εγκεφάλου - υπολογιστή,

ώστε να επιτύχουμε να παίζει η Αουρόρα
το παιχνίδι απλώς με τη σκέψη της,

χωρίς να παρεμβάλλεται το σώμα της.

Οι ιδεο-καταιγίδες της θα έπρεπε
να ελέγχουν ένα χέρι

που θα μετακινούσε τον κέρσορα
πάνω από το στόχο.

Και προς μεγάλη μας έκπληξη,
ακριβώς αυτό έκανε η Αουρόρα.

Έπαιξε το παιχνίδι χωρίς να κινεί το σώμα της.

Έτσι, η τροχιά του κέρσορα που βλέπετε τώρα

δείχνει ακριβώς τη πρώτη φορά
που το κατάφερε αυτό.

Είναι η στιγμή που για πρώτη φορά

η πρόθεση του εγκεφάλου απελευθερώνεται
από το σώμα ενός πρωτεύοντος θηλαστικού

και μπορεί να δράσει έξω από αυτό,
σ'έναν εξωτερικό κόσμο,

ελέγχοντας απλώς μια τεχνητή συσκευή.

Η Αουρόρα συνέχισε να παίζει το παιχνίδι,
συνέχισε να εντοπίζει το μικρό στόχο

και να παίρνει την πορτοκαλάδα
που ήθελε, που λαχταρούσε.

Μπόρεσε να το κάνει, γιατί εκείνη τη στιγμή
είχε αποκτήσει ένα καινούριο χέρι.

Ο ρομποτικός βραχίονας που βλέπετε
εδώ να κινείται

30 μέρες μετά το πρώτο βίντεο που σας έδειξα

βρίσκεται υπό τον έλεγχο
του εγκεφάλου της Αουρόρα

και κινεί τον κέρσορα για να φτάσει στο στόχο.

Τώρα πια η Αουρόρα γνωρίζει ότι μπορεί να παίξει
το παιχνίδι με αυτόν το ρομποτικό βραχίονα

αλλά δεν έχει χάσει την ικανότητα της να χρησιμοποιεί
τα χέρια της για να κάνει ό,τι θέλει.

Μπορεί να ξύσει την πλάτη της, να ξύσει κάποιον
από εμάς, να παίξει κάποιο άλλο παιχνίδι.

Σε κάθε περίπτωση,

ο εγκέφαλος της Αουρόρα έχει
ενσωματώσει αυτήν την τεχνητή συσκευή

ως προέκταση του σώματος της.

Το μοντέλο που θεωρούσε η Αουρόρα
ότι ήταν ο εαυτός της

επεκτάθηκε, ώστε να συμπεριλάβει
ακόμα ένα χέρι.

Λοιπόν, αυτό το κάναμε πριν από 10 χρόνια.

Ας δούμε τι συμβαίνει 10 χρόνια μετά.

Μόλις πέρσι συνειδητοποιήσαμε πως
ο ρομποτικός βραχίονας δεν είναι καν απαραίτητος.

Μπορούμε απλώς να κατασκευάσουμε ένα
υπολογιστικό σώμα, ένα άβαταρ πιθήκου.

Μπορεί πράγματι να χρησιμοποιηθεί στους πιθήκους μας, είτε για να αλληλεπιδράσεις μαζί τους

είτε για να τους εκπαιδεύσεις να
αποδεκτούν σε έναν εικονικό κόσμο

τη δυνατότητα που έχει αυτό το άβαταρ
να λειτουργήσει σε πρώτο πρόσωπο

και να ελέγχουν με τον εγκέφαλο τους τις
κινήσεις των χεριών ή των ποδιών του άβαταρ.

Αυτό που ουσιαστικά κάναμε ήταν
να εκπαιδεύσουμε τα ζώα,

ώστε να μάθουν να ελέγχουν αυτά τα άβαταρ

και να εξερευνούν αντικείμενα
που εμφανίζονται σε έναν εικονικό κόσμο.

Κι ενώ αυτά τα αντικείμενα είναι όμοια οπτικά,

όταν το άβαταρ περνά πάνω από την
επιφάνεια αυτών των αντικειμένων,

στέλνουν ένα ηλεκτρικό μήνυμα, ανάλογο της
μικροαπτικής υφής του αντικειμένου

που επιστρέφει απευθείας
στον εγκέφαλο του πιθήκου

ενημερώνοντας τον εγκέφαλο τι είναι
αυτό που αγγίζει το άβαταρ.

Μόλις σε 4 εβδομάδες ο εγκέφαλος μαθαίνει
να επεξεργάζεται αυτή τη νέα αίσθηση

και αποκτά ένα καινούριο αισθητηριακό μονοπάτι,
σαν μια καινούρια αίσθηση.

Σε αυτό το σημείο πραγματικά
απελευθερώνεις τον εγκέφαλο,

γιατί επιτρέπεις στον εγκέφαλο να στείλει κινητικές
εντολές για να κινήσει αυτό το άβαταρ.

Η επεξεργασία της ανατροφοδότησης που προέρχεται
από το άβαταρ γίνεται απευθείας από τον εγκέφαλο

χωρίς να παρεμβαίνει το δέρμα.

Έτσι, αυτό που βλέπετε εδώ
είναι ο σχεδιασμός της εργασίας.

Θα δείτε, στην ουσία, ένα ζώο να
αγγίζει αυτούς τους τρεις στόχους.

Πρέπει να επιλέξει έναν, γιατί
μόνο από έναν θα πάρει ανταμοιβή,

την πορτοκαλάδα, δηλαδή, που θέλει να πιεί.

Πρέπει να τον επιλέξει αγγίζοντας τον με
ένα εικονικό χέρι, ένα χέρι που δεν υπάρχει

και ακριβώς αυτό κάνει.

Πρόκειται για την απόλυτη
απελευθέρωση του εγκεφάλου

από τα δεσμά του σώματος και της κίνησης
σε μια αντιληπτική εργασία.

Το ζώο ελέγχει το άβαταρ
για να αγγίξει τους στόχους.

Αισθάνεται την υφή τους μέσω του ηλεκτρικού μηνύματος που δέχεται απευθείας στον εγκέφαλο.

Ο εγκέφαλος αποφασίζει ποια είναι η υφή
εκείνη που σχετίζεται με την ανταμοιβή.

Τις λεζάντες που βλέπετε στο βίντεο,
δεν τις βλέπει ο πίθηκος.

Παρεπιπτόντως, δεν μπορεί ούτως ή άλλως
να διαβάσει αγγλικά

υπάρχουν μόνο για να δείτε
πως ο σωστός στόχος αλλάζει θέση.

Παρόλα αυτά, ο πίθηκος μπορεί να τον βρει
μέσω απτικής διάκρισης

και μπορεί να τον πατήσει και να τον επιλέξει.

Έτσι, κοιτάζοντας τον εγκέφαλο του,

στο πάνω σχήμα βλέπουμε
την ευθυγράμμιση 125 κυττάρων

που απεικονίζει την εγκεφαλική λειτουργία,
τις ηλεκτρικές καταιγίδες

αυτού του δείγματος νευρώνων στον εγκέφαλο

όταν το ζώο χρησιμοποιεί κάποιον μοχλό.

Αυτήν την εικόνα την αναγνωρίζει
κάθε νευροφυσιολόγος.

Η βασική ευθυγράμμιση δείχνει ότι αυτά τα κύτταρα ταξινομούν όλες τις πιθανές κατευθύνσεις.

Η κάτω εικόνα δείχνει τι συμβαίνει
όταν το σώμα σταματά να κινείται

και το ζώο ξεκινά να ελέγχει είτε μια ρομποτική συσκευή είτε ένα υπολογιστικό άβαταρ.

Στον ίδιο χρόνο που θα χρειαζόμασταν
για να επανεκκινήσουμε τους υπολογιστές μας,

μετατοπίζεται η εγκεφαλική δραστηριότητα για να εκπροσωπήσει αυτό το νέο εργαλείο,

σαν να ήταν και αυτό μέρος του σώματος
του πρωτεύοντος θηλαστικού.

Ο εγκέφαλος το αφομοιώνει και αυτό
πάρα πολύ γρήγορα.

Έτσι, αυτό μας υποδηλώνει πως η αίσθηση
που έχουμε για τον εαυτό μας

δεν σταματά στο τελευταίο στρώμα
του επιθηλίου του σώματος μας,

αλλά σταματά στο τελευταίο στρώμα των ηλεκτρονίων των εργαλείων που ελέγχουμε με τον εγκέφαλο μας.

Τα βιολιά, τα αυτοκίνητα,
οι μπάλες του ποδοσφαίρου, τα ρούχα μας,

όλα αφομοιώνονται από αυτό το αδηφάγο, καταπληκτικό, δυναμικό σύστημα, τον εγκέφαλο μας.

Ως που μπορούμε να φτάσουμε;

Λοιπόν, σε ένα πείραμα που κάναμε
πριν μερικά χρόνια φτάσαμε στα άκρα.

Είχαμε βάλει ένα ζώο να τρέχει σε έναν διάδρομο

στο Πανεπιστήμιο Ντιουκ
στην ανατολική ακτή των ΗΠΑ

που παρήγαγε τις απαραίτητες ιδεοκαταιγίδες για να κινηθεί.

Είχαμε μια ρομποτική συσκευή,
ένα ανθρωποειδές ρομπότ,

στο Κιότο, στα εργαστήρια της ATR στην Ιαπωνία

που όλη του τη ζωή ονειρευόταν
να ελεχθεί από έναν εγκέφαλο,

έναν ανθρώπινο εγκέφαλο
ή έναν εγκέφαλο πρωτεύοντος θηλαστικού.

Η εγκεφαλική δραστηριότητα που παρήγαγαν
οι κινήσεις του πιθήκου

μεταδόθηκε στην Ιαπωνία και
έκανε αυτό το ρομπότ να κινείται,

ενώ η βιντεοσκόπηση αυτών των βημάτων στάλθηκε πίσω στο πανεπιστήμιο του Duke,

έτσι ώστε ο πίθηκος να μπορεί να δει τα πόδια αυτού του ρομπότ να κινούνται μπροστά του.

Έτσι, δεν ανταμείβονταν σύμφωνα με αυτό
που έκανε το σώμα του,

αλλά για κάθε σωστό βήμα του ρομπότ
στην άλλη πλευρά του πλανήτη

που ελέγχονταν από την εγκεφαλική του δραστηριότητα.

Το αστείο είναι, πως αυτό το ταξίδι μετ'επιστροφής στην άλλη άκρη της γης κράτησε 20 χιλιοστά του

δευτερολέπτου λιγότερα απ'όσο χρειάζεται η ιδεοκαταιγίδα για να φτάσει

από το κεφάλι του πιθήκου, στους ίδιους τού τους μυς.

Ο πίθηκος κινούσε ένα ρομπότ έξι φορές μεγαλύτερο από αυτόν στην άλλη άκρη του πλανήτη.

Αυτό είναι ένα από τα πειράματα που το ρομπότ μπορούσε να περπατήσει αυτόνομα.

Αυτό είναι το CB1 που εκπληρώνει
το όνειρο του στην Ιαπωνία

υπό τον έλεγχο της εγκεφαλικής δραστηριότητας
ενός πρωτεύοντος θηλαστικού.

Τι σκοπεύουμε να κάνουμε με όλα αυτά;

Πώς θα αξιοποιήσουμε όλη αυτήν την έρευνα,

πέρα από το να μελετήσουμε αυτό το δυναμικό
σύμπαν που έχουμε ανάμεσα στα αυτιά μας;

Ο σκοπός είναι να εφαρμόσουμε όλη αυτή
τη γνώση και τη τεχνολογία, προσπαθώντας

να αποκαταστήσουμε ένα από τα σοβαρότερα
νευρολογικά προβλήματα που υπάρχουν.

Εκατομμύρια άνθρωποι έχουν χάσει την ικανότητα
να μεταφράζουν αυτές τις ιδεοκαταιγίδες

σε δράση, σε κίνηση.

Αν και ο εγκέφαλος τους συνεχίζει να παράγει αυτές τις καταιγίδες και να ταξινομεί κινήσεις

δεν μπορούν να υπερπηδήσουν το εμπόδιο που έχει προκαλέσει μια βλάβη στην σπονδυλική στήλη.

Αυτό που θέλουμε να κάνουμε,
είναι να δημιουργήσουμε μια παράκαμψη,

να χρησιμοποιήσουμε αυτές τις διεπαφές
εγκεφάλου-μηχανής για να διαβάσουν αυτά τα σήματα,

μεγάλης κλίμακας ιδεοκαταιγίδες που εμπεριέχουν
την επιθυμία να κινηθεί το άτομο ξανά,

να παρακαμφθεί η βλάβη χρησιμοποιώντας
υπολογιστική μικρομηχανική

και να τις στείλουμε σε ένα καινούριο σώμα,
ένα ολόκληρο σώμα που ονομάζεται εξωσκελετός,

μια ολόσωμη ρομποτική στολή που θα γίνει
το καινούριο σώμα αυτών των ασθενών.

Βλέπετε μια εικόνα που έφτιαξε
μια μη-κερδοσκοπική κοινοπραξία,

το επονομαζόμενο Walk Again Project,

που συγκεντρώνει επιστήμονες από την Ευρώπη,

από τις ΗΠΑ και τη Βραζιλία

για να εργαστούν στην κατασκευή αυτού
του νέου σώματος, ένα σώμα που θεωρούμε

πως μέσα από τους ίδιους μηχανισμούς
πλαστικότητας που επιτρέπουν στην Αουρόρα

και σε άλλους πιθήκους τη χρήση αυτών των
εργαλείων μέσω της διεπαφής εγκεφάλου-μηχανής

μας επιτρέπει να ενσωματώσουμε τα εργαλεία
που παράγουμε και χρησιμοποιούμε καθημερινά.

Επλίζουμε πως ο ίδιος μηχανισμός θα επιτρέψει
σε αυτούς τους ασθενείς

όχι μόνο να φανταστούν ξανά τις κινήσεις
που θέλουν να κάνουν

και να τις μεταφράσουν σε κινήσεις
αυτού του νέου σώματος,

αλλά και να αφομοιωθεί αυτό το σώμα
ως το νέο σώμα που ελέγχει ο εγκέφαλος.

Μου είχαν πει πριν 10 χρόνια

πως αυτό δεν θα συνέβαινε ποτέ,
πως ήταν σχεδόν αδύνατο.

Το μόνο που μπορώ να σας πω ως επιστήμονας,

είναι πως μεγάλωσα στη νότια Βραζιλία
στα μέσα της δεκαετίας του 1960

παρακολουθώντας μερικούς τρελούς τύπους
που ισχυρίζονταν πως θα πάνε στο φεγγάρι.

Ήμουν πέντε χρόνων και ποτέ δεν κατάλαβα

γιατί η ΝΑΣΑ δεν προσλάμβανε τον Κάπτεν Κερκ
και τον Σποκ να κάνουν τη δουλειά,

στο κάτω-κάτω, ήταν πλήρως καταρτισμένοι

αλλά και μόνο που το έβλεπα αυτό
όταν ήμουν παιδί

με έκανε να πιστεύω,
όπως μου έλεγε η γιαγιά μου,

πως «το αδύνατο είναι απλά το δυνατό

για το οποίο κάποιος δεν έχει προσπαθήσει
αρκετά, ώστε να το πραγματοποιήσει».

Μου είπαν ότι είναι αδύνατον
να κάνεις κάποιον να περπατήσει.

Νομίζω πως θα ακολουθήσω
τη συμβουλή της γιαγιάς μου.

Σας ευχαριστώ.

(χειροκρότημα)