Miguel Nicolelis: Una scimmia che controlla un robot con il pensiero. Davvero.

Possiamo usare i nostri cervelli per controllare direttamente delle macchine -- senza un corpo che faccia da intermediario? Miguel Nicolelis parla di un esperimento sorprendente, in cui una scimmia negli Stati Uniti impara a controllare una scimmia avatar, e poi un robot in Giappone, col suo solo pensiero. La ricerca ha grandi implicazioni per le persone quadriplegiche -- e forse per tutti noi.
(Girato a TEDMED 2012.)

Il tipo di neuroscienza che facciamo
io e i miei colleghi

è come la meteorologia.

Siamo sempre a caccia di tempeste.

Vogliamo vedere e misurare le tempeste --
le tempeste cerebrali.

Tutti parliamo di tempeste di idee nelle nostre vite,

ma è raro vederne o ascoltarne una.

Vorrei quindi iniziare questo talk

presentandovene una.

La prima volta in cui abbiamo registrato
più di un neurone --

un centinaio di cellule cerebrali
allo stesso tempo --

misurando la scintilla elettrica

di un centinaio di cellule dello stesso animale,

abbiamo ottenuto questa immagine,

i primi 10 secondi di questa registrazione.

Abbiamo ottenuto un piccolo frammento
di un pensiero

e potevamo vederlo davanti a noi.

Dico sempre agli studenti

che noi neuroscienziati potremmo anche definirci una sorta di astronomi,

perché abbiamo a che fare con un sistema

che è comparabile, in termini di cellule, soltanto

al numero di galassie nell'Universo.

Dei miliardi di neuroni che abbiamo,

ne abbiamo registrati un centinaio, 10 anni fa.

Ora siamo arrivati ad un migliaio.

Speriamo di capire qualcosa di fondamentale
sulla natura umana.

Perché, se ancora non lo sapete,

tutto ciò che usiamo per definire la natura umana
deriva da queste tempeste,

che scorrazzano per le colline
e le valli dei nostri cervelli

e definiscono i nostri ricordi, ciò in cui crediamo,

i nostri sentimenti, i nostri progetti per il futuro.

Dietro a tutto ciò che facciamo,

tutto ciò che ogni umano ha mai fatto, fa o farà,

ci sono popolazioni di neuroni
che producono questa sorta di tempeste.

Il suono di una tempesta cerebrale, se non l'avete

mai sentito, somiglia un po' a questo.

Si può anche alzare il volume se si riesce.

Mio figlio lo chiama "fare i popcorn mentre si ascolta
una stazione radio AM mal sintonizzata."

Questo è un cervello.

Questo è ciò che succede quando si ascoltano
le tempeste elettriche con un altoparlante

e si ascoltano un centinaio
di cellule cerebrali accendersi;

il vostro cervello farà questo rumore --
il mio cervello, ogni cervello.

Come neuroscienziati, in questo momento vogliamo

ascoltare queste sinfonie cerebrali,

e cercare di estrarre il messaggio che portano con sé.

In particolare, circa 12 anni fa

abbiamo creato un'interfaccia mente-macchina.

Questo è uno schema che descrive come funziona.

L'idea è: facciamo ascoltare ad alcuni sensori
queste tempeste, questa attività elettrica,

e vediamo se si può, nello stesso tempo in cui

questa tempesta lascia il cervello e raggiunge
le gambe o le braccia di un animale

-- circa mezzo secondo --

leggere questi segnali,

estrarre i messaggi motori
che veicolano,

tradurli in comandi digitali

e inviarli a un dispositivo artificiale

che riprodurrà in tempo reale il moto volontario
di quel cervello.

Vediamo di misurare quanto bene riusciamo
a tradurre quel messaggio

rispetto a come lo fa il corpo.

Vediamo se possiamo produrre un feedback:

questo attuatore robotico, meccanico e di calcolo

che è sotto il controllo del cervello,

gli rimanda segnali sensoriali.

[Vediamo] come fa il cervello a gestire il fatto di

ricevere messaggi da una macchina artificiale.

È ciò che abbiamo fatto 10 anni fa.

Abbiamo iniziato con una scimmia,
di nome Aurora,

che è diventata una superstar del settore.

Ad Aurora piacevano i video game.

Come potete vedere qui,

le piace usare il joystick per giocare,
come a noi, ai nostri figli.

E da buon primate, cerca anche di imbrogliare
prima di dare la risposta giusta.

Prima che appaia un bersaglio
che lei deve intercettare

con il cursore che controlla con il joystick,

Aurora cerca di trovare il bersaglio,
non importa dove sia.

E se lo fa,

è perché ogni volta che intercetta un bersaglio
con il piccolo cursore,

ottiene un sorso di succo d'arancia brasiliano.

Vi assicuro: qualsiasi scimmia farebbe
qualsiasi cosa per voi

per un sorso di succo d'arancia brasiliano.

A dire il vero, ogni primate lo farebbe.

Pensateci.

Mentre Aurora giocava, come avete visto,

e faceva un migliaio di tentativi al giorno

vincendo nel 97% dei casi e ottenendo 350 millilitri
di succo d'arancia,

noi registravamo le tempeste cerebrali
prodotte nella sua testa

e le inviavamo a un braccio robotico

che imparava a riprodurre i movimenti
che Aurora stava facendo.

L'idea era di accendere questa
interfaccia neurale

e far giocare Aurora con il solo pensiero,

senza che il suo corpo si intromettesse.

Le sue tempeste cerebrali
avrebbero controllato un braccio

per muovere il cursore e intercettare il bersaglio.

E, con nostra sorpresa,
questo è esattamente ciò che Aurora ha fatto.

Ha giocato senza muovere il suo corpo.

Ogni traiettoria del cursore che potete vedere ora,

corrisponde all'esatto momento in cui lo ha fatto lei.

È il momento in cui

l'intenzione di un cervello è stata liberata dal
vincolo fisico del corpo di un primate

e ha potuto agire all'esterno,
nel mondo esterno,

solo controllando un dispositivo artificiale.

Aurora ha continuato a giocare,
a trovare il piccolo obiettivo

e a ottenere il succo di arancia per cui andava matta.

Lo faceva perché aveva acquisito un nuovo braccio.

Il braccio robotico che vedete muoversi,
30 giorni dopo,

dopo il video che vi ho mostrato prima,

è sotto il controllo del cervello di Aurora

che sta muovendo il cursore per colpire l'obiettivo.

Aurora sa che ora può giocare
con il suo braccio robotico,

ma non ha perso l'abilità di usare il suo
braccio biologico per fare ciò che vuole.

Può grattarsi la schiena, può grattare uno di noi,
può giocare a un altro gioco.

Sotto ogni profilo,

il cervello di Aurora ha incorporato
quel dispositivo artificiale

come un'estensione del suo corpo.

Il modello di sé che Aurora aveva in mente

è stato esteso fino ad includere un braccio in più.

Tutto questo comunque, risale a 10 anni fa.

Andiamo avanti di 10 anni.

L'anno scorso abbiamo capito che non c'è neanche
bisogno di un dispositivo robotico.

Si può costruire un corpo al computer,
un avatar, una scimmia avatar.

E lo si può usare per interagire con le nostre scimmie,

o si possono addestrare le scimmie
ad assumere nel mondo virtuale

la prospettiva personale di quell'avatar

e usare la loro attività cerebrale per controllare
i movimenti degli arti dell'avatar.

Abbiamo addestrato gli animali

a controllare questi avatar

e a esplorare gli oggetti del mondo virtuale.

Questi oggetti sono visivamente identici,

ma quando l'avatar attraversa
la superficie di questi oggetti

essi inviano un messaggio elettrico che è
proporzionale alla consistenza dell'oggetto

che ritorna direttamente
al cervello della scimmia,

comunicando al cervello cosa l'avatar sta toccando.

In sole 4 settimane, il cervello impara a
gestire questa sensazione

e acquisisce una nuova via sensoriale --
una specie di nuovo senso.

E così liberi davvero il cervello

perché gli permetti di inviare comandi
motori per muovere l'avatar.

Il feedback che deriva dall'avatar
è gestito dal cervello

senza l'interferenza della pelle.

Quello che vedete è il progetto del lavoro.

Vedrete un animale toccare questi tre obiettivi.

Ne deve scegliere uno, perché solo uno
gli darà il premio,

il succo di arancia desiderato.

Deve selezionarlo toccandolo con
un braccio virtuale, un braccio che non esiste.

E questo è esattamente ciò che fanno.

È una completa liberazione del cervello

dai vincoli fisici del corpo
durante un compito percettivo.

L'animale controlla l'avatar
che tocca l'obiettivo.

Percepisce la consistenza ricevendo
un messaggio elettrico al cervello.

Il cervello decide qual è la consistenza
associata al premio.

Le legende che vedete nel video
non appaiono alla scimmia.

E comunque loro non leggerebbero l'inglese,

quindi servono solo a voi per sapere
che l'obiettivo corretto si sta spostando.

Ma loro riescono a trovarlo attraverso
le differenze tattili,

e possono premere e selezionarlo.

Se guardiamo i cervelli di questi animali,

nella figura in alto vediamo
l'allineamento di 125 cellule;

vediamo cosa succede all'attività cerebrale,
alle tempeste elettriche,

di questo campione di neuroni del cervello

quando l'animale sta usando un joystick.

Questa è una figura che tutti
i neurofisiologi conoscono.

L'allineamento di base mostra che queste cellule
stanno codificando per tutte le direzioni possibili.

La figura in basso mostra cosa succede quando
il corpo smette di muoversi

e l'animale inizia a controllare o un dispositivo
robotico o un avatar computazionale.

Nel tempo in cui riavviamo i nostri computer,

l'attività del cervello cambia per inziare
a rappresentare questo nuovo strumento,

come se fosse
una parte del corpo del primate.

Anche il cervello lo sta assimilando, tanto velocemente quanto noi riusciamo a misurarlo.

Questo ci suggerisce che
il nostro senso del sé

non finisce all'ultimo strato
di epitelio dei nostri corpi,

ma all'ultimo livello di elettroni dello strumento
che stiamo comandando con i nostri cervelli.

I nostri violini, auto, biciclette,
palloni da calcio, vestiti --

vengono assimilati da questo sistema vorace,
sorprendente e dinamico chiamato cervello.

Quanto in là possiamo spingerci?

In un esperimento di qualche anno fa,
lo abbiamo portato al limite.

Un animale correva su un tapis roulant

alla Duke University, costa est degli USA,

producendo le tempeste cerebrali
utili per muoversi.

C'era un dispositivo robotico, un androide,

a Kyoto, Giappone, ai laboratori ATR

che sognava di essere controllato
da un cervello,

umano o di un primate.

In questo caso l'attività del cervello che
generava i movimenti della scimmia

veniva trasmessa in Giappone
e faceva camminare questo robot

e il filmato della camminata
veniva inviato alla Duke

in modo che la scimmia potesse vedere
le gambe del robot camminare davanti a lei.

Così poteva essere premiata, non per ciò
che il suo corpo stava facendo

ma per ogni passo corretto del robot
dall'altra parte del pianeta

controllato dalla sua attività cerebrale.

È curioso che questo viaggio per il mondo
abbia impiegato 20 millisecondi in meno

di quanto impieghi la tempesta cerebrale
a lasciare la testa della scimma

e a raggiungere il suo muscolo.

La scimmia muoveva un robot 6 volte la sua stazza,
dall'altra parte del pianeta.

Questo è uno degli esperimenti in cui quel robot
è riuscito a camminare da solo.

Questo è CB1 che realizza il suo sogno in Giappone,

sotto il controllo del cervello di un primate.

Dove stiamo portando tutto questo?

Cosa facciamo di tutta questa ricerca,

oltre a studiare le proprietà di questo universo
dinamico che abbiamo tra le orecchie?

L'idea è di prendere tutta
questa conoscenza e tecnologia

e cercare di risolvere uno dei problemi
neurologici più seri al mondo.

Milioni di persone hanno perso l'abilità
di tradurre queste tempeste cerebrali

in azioni e movimenti.

Sebbene i loro cervelli continuino a produrre
queste tempeste e a codificarne i movimenti,

non possono attraversare la barriera creata
da una lesione al modollo spinale.

La nostra idea è di oltrepassarla,

usare le interfacce neurali
per leggere questi segnali,

le tempeste cerebrali di più larga scala
che contengono il desiderio di muoversi di nuovo,

di scavalcare la lesione, con la
microingegneria computazionale

e inviare i segnali a un nuovo corpo,
un esoscheletro,

un vestito robotico che diventerà
il nuovo corpo di questi pazienti.

Potete vedere un'immagine prodotta
da questo consorzio.

È un consorzio non profit chiamato
Walk Again Project

che sta mettendo insieme scienziati
dall'Europa,

dagli Stati Uniti e dal Brasile

per lavorare alla costruzione
di questo nuovo corpo --

un corpo che, crediamo, attraverso gli stessi
meccanismi plastici

che permettono ad Aurora ed altre scimmie
di usare questi strumenti con un'interfaccia neurale,

e a noi di incorporare gli strumenti che
produciamo e usiamo nella nostra vita,

speriamo che permettano a questi pazienti, attraverso gli stessi meccanismi,

non solo di immaginare i movimenti
che vogliono fare

e tradurli in movimenti di questo nuovo corpo,

ma anche di assimilare questo nuovo corpo
come controllato dal cervello.

10 anni fa mi è stato detto

che questo non sarebbe mai successo,
che sarebbe stato quasi impossibile.

Posso dire che, come scienziato,

sono cresciuto in Brasile a metà degli anni '60

guardando un gruppo di matti che ci prometteva di andare sulla Luna.

Avevo 5 anni,

e non capivo perché la NASA non avesse assunto
per quel lavoro il capitano Kirk e Spock

-- dopotutto, erano esperti --

ma vederlo da bambino

mi ha fatto credere, come
mi diceva mia nonna,

che "l'impossibile è solo il possibile

che qualcuno non si è sforzato
abbastanza di far diventare vero."

Mi è stato detto che è impossibile
far camminare qualcuno:

be', credo che seguirò il consiglio di mia nonna.

Grazie.

(Applausi)