Miguel Nicolelis: Een aap die een robot bestuurt met zijn gedachten. Ja, echt.

Kunnen we ons brein gebruiken om machines te besturen zonder hulp van een lichaam als tussenpersoon? Miguel Nicolelis vertelt over een verbluffend experiment waarin een slimme aap in de VS leert om een digitale avatar van zichzelf - en later een robot in Japan - te besturen enkel met zijn gedachten. Het onderzoek kan grote gevolgen hebben voor mensen met een dwarslaesie - en wellicht voor ons allemaal. (Gefilmd tijdens TEDMED 2012)

Het soort neurowetenschap
dat ik en mijn collega's bedrijven,

lijkt veel op het werk
van een weersvoorspeller.

We zijn altijd op zoek
naar stormen.

We willen stormen zien en meten
- dat wil zeggen, breinstormen.

En we hebben het allemaal wel eens
over breinstormen in het dagelijkse leven,

maar we zien of horen ze maar zelden.

Ik begin deze talks altijd graag

door jullie er kennis mee te laten maken.

Toen we voor het eerst
meer dan een neuron opnamen -

honderd hersencellen tegelijkertijd -

toen we de elektrische signalen
konden meten

van honderd cellen in één dier

kregen we dit beeld:

de eerste tien seconden
van deze opname.

We hadden dus een klein stukje
van een gedachte

en we konden het
met eigen ogen zien.

Ik vertel de studenten altijd

dat we de neurowetenschapper
ook een soort astronoom kunnen noemen

omdat het gaat om een systeem

dat qua hoeveelheid cellen
alleen vergelijkbaar is

met het aantal sterrenstelsels
in het universum.

Uit die miljarden neuronen registreerden we
er tien jaar geleden 100.

Uit die miljarden neuronen registreerden we
er tien jaar geleden 100.

Nu zijn het er duizend.

We hopen iets fundamenteels te begrijpen
over onze menselijke aard,

want alles wat we gebruiken om die aard te bepalen,
komt uit de stormen

want alles wat we gebruiken om die aard te bepalen,
komt uit de stormen

die over de heuvels en dalen
van ons brein razen

en onze herinneringen bepalen, onze opvattingen,

onze gevoelens, onze toekomstplannen.

Alles dat we ooit doen,

alles wat elke mens ooit heeft gedaan,
doet of zal doen,

vereist de inspanning van grote aantallen neuronen
die dit soort stormen produceren.

Het geluid van een breinstorm,
mocht je er nog nooit één hebben gehoord,

klinkt ongeveer zo.

Het mag harder.

Mijn zoon noemt dit "popcorn maken terwijl je luistert
naar een slecht afgestemde AM-radiozender."

Dit is een brein.

Dit gebeurt er wanneer je de elektrische stormen
door een luidspreker leidt

en je luistert naar honderd hersencellen
die pulsen afgeven,

dan zal je brein zo klinken
- mijn brein, ieder brein.

Wat wij als neurowetenschappers willen doen,

is luisteren naar deze symfonieën,
deze hersensymfonieën,

en proberen de signalen die ze bevatten
eruit te halen.

Zo creëerden we ongeveer twaalf jaar geleden

een opstelling die we
de brein-machine-interface noemden.

Hier is een schema
dat beschrijft hoe het werkt.

We laten hier een aantal sensoren luisteren
naar de elektrische pulsen van de stormen.

We kijken of we,
in de tijd die nodig is

voor deze storm om het brein te verlaten
en de armen of benen van een dier te bereiken -

ongeveer een halve seconde -

deze signalen kunnen uitlezen,

de motorische signalen
eruit kunnen halen,

ze kunnen omzetten
in digitale opdrachten

en ze naar een apparaat
kunnen sturen

dat de motorische aansturing van dat brein
in real time reproduceert.

We gaan na of we kunnen meten
hoe goed we deze signalen kunnen vertalen,

vergeleken met hoe het lichaam dat doet.

En of we feedback kunnen geven,

zintuiglijke signalen die terugkomen van deze robotische, mechanische, computationele actuator

die nu wordt bestuurd door het brein,

terug naar het brein.

We willen weten hoe het brein omgaat
met het ontvangen van signalen van een machine.

We willen weten hoe het brein omgaat
met het ontvangen van signalen van een machine.

Dat is precies wat we tien jaar geleden
hebben gedaan.

We begonnen met de 'superaap' Aurora

die een superster werd
op dit gebied.

Aurora speelde graag computerspellen.

Ze speelt met een joystick
zoals ieder ander kind.

Ze speelt met een joystick
zoals ieder ander kind.

Zoals elke primaat probeert ze zelfs vals te spelen
voor ze het goede antwoord geeft.

Nog voor het doel verschijnt,

probeert ze al te voorspellen

waar het gaat opduiken.

Ze doet het
omdat ze bij elke treffer

Ze doet het
omdat ze bij elke treffer

een druppel Braziliaans
sinaasappelsap krijgt.

Van een aap krijg je alles gedaan

voor een druppeltje
Braziliaans sinaasappelsap.

Eigenlijk doet elke primaat dat.

Goed om weten.

Terwijl Aurora hiermee bezig was

en in duizend rondes per dag

met 97 % treffers
350 ml sinaasappelsap verdiende,

registreerden wij de breinstormen
in haar hoofd

en stuurden ze naar een robotarm

die de bewegingen van Aurora leerde reproduceren.

De bedoeling was
om met deze brein-machine-interface

Aurora het spel te laten spelen
met alleen haar gedachten,

zonder tussenkomst van haar lichaam.

Haar breinstormen
moesten een arm besturen

die de cursor beweegt
en het doel raakt.

Tot onze verbazing is dat
precies wat Aurora deed.

Ze speelde het spel
zonder haar lichaam te bewegen.

Elke beweging die de cursor nu maakt

- dit is precies de eerste keer
dat ze het doorhad.

Dit is precies het eerste moment

dat een breinintentie werd losgemaakt
van het lichaam van een primaat.

Hij kon nu die buitenwereld beïnvloeden,

simpelweg door het besturen
van een kunstmatig apparaat.

Aurora speelde nog altijd het spel,
vond nog altijd het doel

en kreeg nog altijd
het zo verlangde sinaasappelsap.

Het was alsof ze er een arm bij had.

De robotarm die je hier ziet bewegen,

dertig dagen na de eerste video

wordt bestuurd door Aurora's brein

en beweegt de cursor
om bij het doel te komen.

Aurora weet nu dat ze het spel kan spelen
met deze robotarm

maar ze behoudt het vermogen
om haar natuurlijke armen te gebruiken.

Ze kan haar rug krabben, één van ons krabben
of een ander spel spelen.

In de praktijk betekent dit dat Aurora's brein
dat kunstmatige apparaat heeft opgenomen

In de praktijk betekent dit dat Aurora's brein
dat kunstmatige apparaat heeft opgenomen

als een verlengstuk
van haar lichaam.

Het model van zichzelf
dat Aurora in haar geest had,

is uitgebreid met een extra arm.

Dat deden we tien jaar geleden.

Nu spoelen we tien jaar vooruit.

Vorig jaar ontdekten we dat je niet eens
een robotachtig apparaat nodig hebt.

Je kunt gewoon een digitaal lichaam bouwen,
een avatar van een aap.

Je kunt deze avatar ofwel gebruiken
voor interactie met onze apen

of je kunt ze trainen
om in een virtuele wereld

het eerstepersoons-perspectief
van deze avatar aan te nemen

en haar hersenactiviteit gebruiken
om de armen of benen van de avatar te besturen.

In feite trainden we de dieren

om de avatars te leren besturen

en objecten te verkennen
die verschijnen in de virtuele wereld.

Deze objecten zijn uiterlijk identiek,

maar wanneer de avatar
het oppervlak van deze objecten aanraakt,

stuurt het een elektrisch signaal dat evenredig is
met de voelbare textuur van het object.

Dat gaat direct terug
naar het brein van de aap

en informeert het brein
wat de avatar aanraakt.

In slechts vier weken leert het brein
deze nieuwe ervaring verwerken

en verkrijgt het een nieuwe zintuiglijke baan
- een soort nieuw zintuig.

Dit bevrijdt het brein echt

want nu kan het brein motorische opdrachten
naar deze avatar sturen.

De feedback van de avatar
wordt direct verwerkt door het brein

zonder tussenkomst van de huid.

Hier zie je het ontwerp van de taak.

Je zult een dier
de drie doelen zien aanraken.

Het moet er één kiezen
omdat slechts één doel

het verlangde sinaasappelsap oplevert.

Het dier moet het doel aanraken
met een virtuele arm.

Dat is precies wat ze doen.

Het brein wordt volledig bevrijd

van de fysieke beperkingen van het lichaam
en de motoriek in een perceptuele taak.

Het dier bestuurt de avatar
om de doelen aan te raken.

Het voelt de textuur door direct in het brein
een elektrisch signaal te ontvangen.

Het brein beoordeelt wat de textuur is
die geassocieerd wordt met de beloning.

De beschrijvingen die je ziet in de opname
verschijnen niet voor de aap.

Ze kunnen trouwens ook geen Engels lezen.

Ze zijn er alleen zodat je weet
dat het juiste doel van positie verandert.

Toch kunnen ze de doelen vinden
door het verschil in textuur te voelen,

en kunnen ze erop duwen
en selecteren.

Als we kijken naar het brein
van deze dieren

zie je in het bovenste diagram
de opstelling van 125 cellen.

Ze laten zien wat er gebeurt
met de hersenactiviteit, de elektrische stormen,

van deze verzameling neuronen in het brein

wanneer het dier een joystick gebruikt.

Dit is een afbeelding
die iedere neurofysioloog kent.

De basisopstelling laat zien dat deze cellen coderen
voor alle mogelijke richtingen.

Het onderste diagram toont wat er gebeurt
als het lichaam ophoudt met bewegen

en het dier een robot
of een digitale avatar gaat besturen.

Zo snel als we onze computers
kunnen herstarten,

verschuift de hersenactiviteit naar het voorstellen
van dit nieuwe instrument

alsof het ook een onderdeel
van het lichaam van die primaat is.

Het brein assimileert het ook
zo snel als we kunnen meten.

Dat doet ons vermoeden
dat ons zelfbewustzijn

niet stopt bij de laatste huidlaag
van het lichaam,

maar bij de laatste laag elektronen van de instrumenten die we met ons brein besturen.

Violen, auto's, fietsen, voetballen, kledij -

worden allemaal opgenomen door dit gulzige,
wonderbaarlijke, dynamische systeem: ons brein.

Hoe ver kunnen we hiermee gaan?

We zochten de grens op in een experiment
dat we een paar jaar geleden deden.

We lieten een dier rennen
op een lopende band

bij Duke University
aan de oostkust van de VS

om de breinstormen te maken
die nodig zijn om te bewegen.

We hadden een mensachtige robot

in Kyoto, Japan,
bij ATR Laboratories

die zijn hele leven ervan droomde
door een brein bestuurd te worden,

een brein van mens of primaat.

We stuurden de hersenactiviteit
die de aap deed bewegen

naar Japan
en lieten deze robot lopen

terwijl videobeelden hiervan
werden teruggestuurd naar Duke

zodat de aap de benen van deze robot
voor zich zag lopen.

Ze werd beloond,
niet voor wat haar lichaam deed,

maar voor elke correcte stap die de robot
aan de andere kant van de wereld maakte

dankzij de besturing
door haar hersenactiviteit.

Grappig dat die reis rond de aarde 20 milliseconden
minder lang duurde

dan de breinstorm nodig heeft
om het hoofd van de aap te verlaten

en aan te komen bij zijn eigen spier.

De aap bewoog een robot aan de andere kant
van de planeet die zes keer groter was dan hijzelf.

Dit is een van de experimenten
waarin die robot zelfstandig kon lopen.

Dit is CB1
terwijl zijn droom werkelijkheid wordt in Japan

en hij bestuurd wordt
door de hersenactiviteit van een primaat.

Waar gaat dit allemaal naartoe?

Wat gaan we doen met al dit onderzoek,

afgezien van het bestuderen
van dat dynamische universum tussen onze oren?

Het idee is om al deze kennis
en technologie te gebruiken

om een van de ernstigste neurologische problemen
die we kennen, op te lossen.

Miljoenen mensen kunnen deze breinstormen
niet meer omzetten in bewegingen.

Miljoenen mensen kunnen deze breinstormen
niet meer omzetten in bewegingen.

Hoewel hun brein deze stormen
nog steeds aanmaakt

kunnen ze niet langs de barrière
die ontstaan is door een dwarslaesie.

Ons idee is om de dwarslaesie te omzeilen,

om deze brein-machine-interface te gebruiken
om de signalen te lezen,

grotere breinstormen
die het verlangen naar beweging bevatten,

om de dwarslaesie te omzeilen
met computationele microtechniek

en het naar een nieuw lichaam te sturen,
een compleet lichaam, een exoskelet,

een 'robotpak' dat het nieuwe lichaam
van deze patiënten wordt.

Hier is een afbeelding
gemaakt door dit consortium.

Het is een non-profit consortium,
het Walk Again Project genaamd

dat wetenschappers samenbrengt
uit Europa, de VS en Brazilië

dat wetenschappers samenbrengt
uit Europa, de VS en Brazilië

om te werken aan het bouwen
van dit nieuwe lichaam -

een lichaam dat werkt
via dezelfde plastische mechanismen

die Aurora en andere apen deze instrumenten
laten gebruiken via een brein-machine-interface

en er de instrumenten nodig
voor ons dagelijks leven in op te nemen.

Hopelijk kunnen deze patiënten
dankzij dit mechanisme

zich niet alleen de bewegingen inbeelden
die ze willen maken

en deze vertalen in bewegingen
van dit nieuwe lichaam,

maar ook dit lichaam opnemen
als het nieuwe lichaam dat het brein bestuurt.

Zo'n tien jaar geleden werd me verteld

dat dit nooit zou gebeuren,
dat het bijna onmogelijk was.

Als wetenschapper denk ik vaak terug

aan het Brazilië van mijn jeugd,
rond 1965,

toen een paar maffe kerels ons vertelden
dat ze naar de maan zouden gaan.

Ik was vijf en begreep niet waarom ze
bij NASA Captain Kirk en Spock niet inhuurden -

Ik was vijf en begreep niet waarom ze
bij NASA Captain Kirk en Spock niet inhuurden -

die waren er toch heel goed in -

maar toen ik dat zag als kind

geloofde ik, zoals mijn oma vaak zei:

"Het onmogelijke is gewoon het mogelijke

waarvoor niemand nog genoeg moeite heeft gedaan
om het voor elkaar te krijgen."

Ze vertelden me dat het onmogelijk is
om iemand weer te laten lopen.

Ik denk dat ik het advies
van mijn oma ga opvolgen.

Dank je wel.

(Applaus)